材料科学是21世纪的新炼金术吗？

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要准确界定材料科学究竟研究什么，可能并非易事。但奥诺·鲍里（Honor Powrie）认为，这个领域是整个科学中最具回报和挑战性的，其从业者致力于创造出“新黄金”。

重要的材料：无论是金属、陶瓷、生物塑料，还是这款耐克跑鞋中的拉胀材料（auxetic materials），世界正因材料科学而改变。（图片来源：伊桑·朱尔，利兹大学（University of Leeds））
多年来，我一直担任与工程和物理领域研究与创新相关的奖项评委。人们常说，给予比接受更好，在这种情况下确实如此。但我参与评奖的另一个亮点是，能了解到那些我从未听说过或知之甚少的前沿创新。
有一个领域总能让我着迷，那就是新型先进材料的发展。我并非材料科学家——我的专长在于为工程领域创建监测系统——因此对于下文可能存在的过度简化，我先行致歉。但我确实想让你感受一下，材料科学这个领域是多么令人惊叹、充满挑战且回报丰厚。
我们太容易将先进材料视为理所当然。在日常生活中，我们时刻与它们接触，无论是在医疗保健、电子与计算领域的应用，还是在能源、交通、建筑和过程工程中。但当前最重要的材料创新是什么？未来我们又可能期待哪些新型材料呢？
## 创新的驱动力
在材料开发领域，有几个驱动力——它们都同等重要。其一是希望改进我们已熟知产品的性能。其二是需要开发更具可持续性的材料，无论是为了替代对环境影响较大的方案，还是为了赋能新技术。第三，是对新颖发展的追求，一些最具突破性的工作正发生于此。
在环境方面，我们知道许多产品都含有原则上可以回收的组件。然而，现实情况是，由于产品的构造方式，许多产品最终都被填埋了。最近，当我听到一个关于回收太阳能电池板困难的研究报告时，这个难题再次浮现在我的脑海中。

绿色难题: 尽管含有可重复利用的材料，太阳能电池板在其寿命结束时往往未能得到回收。(图片来源：iStock/Milos Muller)
光伏电池（photovoltaic cells）会随时间推移效率越来越低，大多数太阳能电池板的预期寿命不超过30年左右。问题是，太阳能电池板的结构非常坚固，回收它们需要专门的设备和工艺。尽管太阳能电池板主要包含玻璃、塑料和金属（包括铝和银）等可重复利用的材料，但它们往往只是被丢弃。
太阳能板能实现可持续利用，却也可能对垃圾填埋场造成巨大负担，这似乎颇具讽刺意味。事实上，如果放任不管，这个问题可能会急剧恶化。英国目前估计已有180万块太阳能板投入使用，全球范围内可能达到数十亿块，且安装基数正在快速增长。让太阳能板变得更可持续，无疑是材料科学领域的一项重大挑战。
## 物尽其用
另一个关键问题在于我们对新技术的沉迷，这意味着我们很少将物品使用到其寿命终结；我的意思是，谁不曾被一款闪亮的新智能手机诱惑，尽管旧手机完全够用？这种对新物品的渴望意味着我们需要更多易于重复使用或回收的材料和设计，从而减少浪费和资源消耗。
作为一名在航空航天行业工作的人，我亲眼目睹了公司如何通过开发更强、更能承受更高温度和压力的复合材料（composite materials）——例如碳纤维（carbon fibre）和复合基体陶瓷（composite matrix ceramics）——来努力使飞机更省油。该行业还使用“增材制造（additive manufacturing）”来实现更复杂的部件设计，同时减少由此产生的浪费。
塑料是另一个关键领域。许多产品由单一类型、可回收的材料制成，例如聚乙烯或聚丙烯，这些材料具有轻质、耐用且能耐受化学品和高温的优点。问题是，虽然聚乙烯和聚丙烯可以回收，但它们都会产生微小的“微塑料”，而众所周知，这对环境来说并非好消息。

可持续性挑战: 材料科学家需要为传统塑料找到实用的生物基替代品，以避免污染性微塑料进入海洋。（图片来源：iStock/Dmitriy Sidor）
生物基材料（bio-based materials）在日常用品中正变得越来越普遍。想想聚乳酸（PLA），这是一种源自玉米淀粉或甘蔗等可再生资源的植物基聚合物。它通常用于食品或医疗包装，常被称为“可堆肥”，尽管我们需要谨慎看待这个术语。
遗憾的是，聚乳酸在自然环境或垃圾填埋场中不易降解。要分解它，需要高温高湿的工业堆肥设施。因此，虽然聚乳酸来源于天然植物，但其回收并不简单，这就是为什么一次性用品，如塑料餐具、吸管和盘子，不再被允许用它制造。
值得庆幸的是，我们也看到更可持续的天然纤维复合材料（natural fibre composites）得到更广泛的应用，例如亚麻、大麻和竹子（你试过竹袜或竹餐具吗？）。所有这些让我想起一个有趣的都市传说，据说在1941年，传奇的美国汽车制造商亨利·福特制造了一辆显然完全由植物基塑料制成的汽车——被称为“大豆”汽车（见下图）。

是不是很疯狂？由亨利·福特和尤金·图雷纳·格雷戈里（Eugene Turenne Gregorie）签署的大豆汽车（soybean car）车架专利。（图片来源：Public Domain）
亨利·福特在1941年推出的“大豆”汽车，完全由一种植物基塑料制成。其动机显然是为了让汽车更轻（从而提高燃油效率）、减少对钢材的依赖（二战期间钢材需求旺盛），同时也更安全。然而，由于没有留下记录，这种塑料的确切成分尚不为人知。
推测其材料是大豆、小麦、大麻、亚麻和苎麻（一种开花的荨麻）的混合物。深度参与该车设计的福特设计师洛厄尔·奥弗利表示，它是“大豆纤维浸渍在酚醛树脂（phenolic resin）与甲醛中制成的”。尽管这是一种天然与合成材料的混合物——并非完全由大豆制成——但在八十多年前，这辆车对汽车工业来说仍然是一项重大进展。
## 避免“太阳能电池板陷阱”
那么，我们需要哪些技术发展才能将材料提升到新的水平？关键在于避免我所说的“太阳能电池板陷阱”，并找到从摇篮到坟墓都可持续的材料。我们必须建立一个环境可持续的经济体系，其基础是材料或产品的再利用和再生——有些人称之为“循环经济（circular economy）”。
可持续复合材料将至关重要。我们需要易于分离的复合材料，例如能溶于水或特定溶剂的粘合剂，这样我们就能从复杂产品中干净、快速且低成本地回收有价值的材料。我们还需要回收复合材料，使用回收的碳纤维，或将塑料与由可再生资源（如植物油、淀粉和农业废弃物，而非化石燃料）制成的生物基树脂（bio-based resins）结合。
同样至关重要的将是生态友好型复合材料（eco-friendly composites），它们将可持续的复合材料（如天然纤维）与生物基树脂相结合。原则上，这些材料可以用来替代传统的复合材料，从而减少废弃物和环境影响。
另一个重要趋势是开发新型金属和复杂合金。除了增强传统应用外，这些材料也正在满足未来可能变得普遍的应用需求，例如大规模的氢气制造、运输和分配。
## 柔软且可拉伸
接下来是“软复合材料（soft composites）”。这些是先进的、通常具有生物相容性的材料，它们将更柔软的橡胶状聚合物与增强纤维或纳米粒子相结合，从而创造出可用于软体机器人（soft robotics）、医疗植入物、假肢和可穿戴传感器的柔性、耐用且功能性的材料。这些材料可以被设计成具有可拉伸性、自修复（self-healing）、磁致驱动（magnetic actuation）和组织整合等特性，从而催生创新且对患者友好的医疗解决方案。

医疗魔法: 可穿戴电子材料可能改变我们监测人类健康的方式。(Shutterstock/Guguart)
那么，你听说过电子纺织品（e-textiles）吗？它们将电子元件集成到日常织物中。这些材料通过提供可穿戴、无创的心率和呼吸等生理信息监测，可能为医疗应用带来变革。
进一步的应用可能包括先进的个人防护装备（PPE）、智能绷带（smart bandages）以及用于长期康复和远程患者护理的服装。智能纺织品（smart textiles）可以通过提供个性化的数字医疗解决方案，彻底改变医疗诊断、治疗输送和疾病治疗。
## 迈向“新黄金”
我意识到自己只是触及了材料科学的皮毛——这是一个奇妙的创意熔炉，物理学、化学和工程学在这里携手合作，共同催生突破性的解决方案。这是一门极其重要且真正关键的学科。材料科学家们比古代的炼金术士成功得多，他们擅长创造“新黄金”。
他们的发现与发明，从日常用品的设计、部署到退役，都在为我们地球的可持续经济做出重大贡献，同时也在寻找能够积极影响我们当今生活方式的新颖解决方案。这无疑是一个值得我们颂扬，并且作为物理学家，应该更深入参与的领域。

（本文译自 physicsworld）

作者：奥诺·鲍里是一名工程师，目前在英国南安普顿的通用电气公司担任数据科学与分析高级总监。她在此发表的是个人观点。