即将改变世界的10种材料
2015/3/30
来源：新材料在线 作者：翟万银
材料是人类生产生活的物质基础。在历史长河中，一种新材料的出现和利用，常常能够促进社会生产力的发展，引起时代的变迁，推动人类文明的进步。一些对人类历史起到举足轻重作用的材料，甚至被历史学家作为划分时代的重要标志。进入21世纪，材料更是被视为现代科学技术的支柱之一。从某种意义上说，未来世界会变成什么样，人们将过上怎样的生活，都和材料的发展有着密切的关系。下面，我们来看看即将投入使用并可能改变生活的10大“奇材”。
奇妙的材料之一
二维锡
——电子飞驰的超高速公路
从外观上看，我们的智能手机似乎挺灵巧可爱的，但承载信息传输的电子在微处理器的芯片内跑得并不那么有条不紊。美国斯坦福大学的物理学家张首晟教授这样形容电子在固体物质内部的运行：“就像穿行于拥挤的菜市场，到处磕磕碰碰，似乎导电体内杂质成堆。”
如果你的手机充电几小时后动不动就死机，或是热得烫手，问题就出在电子的杂乱运动。每次电子互相碰撞一下都会产生热。电子器件内纷繁复杂的电路里，电子产生的废热必须及时地、迅速地传导出去，否则就会损伤电路。但在手机里这几乎不可能做到，电脑内也一样。废热成了影响手机和电脑芯片工作效率的主要问题。
如果有一种材料在传导电子的时候没有任何阻力，不产生任何热，也就完全没有上述烦恼了。过去的一个多世纪里，物理学家一直以为超导材料是最好的选择，但研究来研究去，最后发现自己好像被超导现象给骗了——绝大多数超导材料只能在接近绝对零度(-273℃)时才表现出超导特性。虽然科学家还在持续努力，但实现常温超导恐怕还要再等一个世纪。
张首晟教授放弃超导另辟蹊径。他于2007年在世界上首次合成了一类叫拓扑绝缘体的奇特材料：内部是绝缘材料，表面却能导电，而且电子可以完全自由移动。因为电子只是从表面的原子上传导，产生了一种电子-自旋耦合量子相互作用效应，消除了电子移动时不断掉头的现象，也免除了电子从材料内部“打洞”前进的困难。与现有的电子产品中电子的移动相比，拓扑绝缘体上的电子传导就像汽车从拥挤的街道驶上高速公路。
其实，拓扑绝缘体上的电子传导也不十分规矩，电子在材料的表面也时常做“回转滑雪运动”，难以在一条轨道上直线飞驰，因而还会产生热，仍有散热的烦恼，除非将其冷却到绝对零度附近，要不然电子不会老老实实地沿直线传导。为解决这个问题，张首晟教授设法制作了一种特别的膜——单层锡原子膜。它只有一层原子构成，薄得不能再薄了，科学家称之为二维膜。结果，电子们听话了，乖乖地沿跑道直线前进。原因是，这么薄的膜对电子运动方向拥有超强的约束能力，不给电子选择道路的机会，只能沿材料的边缘移动，而且低温、常温都一样起到约束作用。
由于是真正的零产热材料，这种膜可能首先被用于制造微处理器芯片的导线，可以极大地降低能源消耗和废热。当然，这种膜也可以用作把热能直接转化为电能的热电材料。
不过，现在要大量做出真正的单层锡原子膜产品为时尚早，虽然很多人非常乐观，但实际上都是纸上谈兵。假如单层锡原子膜能做出来，实现表面100%导电效率，就会迅速应用于各种电子产品。张首晟教授说：“这一天，乐观地估计要5年时间，客观地估计要10年时间。”
奇妙的材料之二
记忆玻璃
——给外星人的一封信
美国经典科幻漫画《超人》的主人公来自遥远的外星球，他具有地球人无法企及的超能力。一次，超人碰巧飞到了一座晶莹剔透的神秘建筑里，在那里他看到了一块奇特的晶体碎片，立刻找回了自己儿时的记忆，想起了早已忘记的故乡——原来那块奇特的晶体碎片替他的大脑储存了大量儿时的生活信息。假如人类也能将记忆永久地储存于某个物体上，那不是一件令人惊奇的事吗?
当然，现在人类已有多种途径储存信息。但是，信息存在电脑硬盘里很容易丢失，存在软盘里又很容易因高温而损坏;即使这些硬盘或软盘保存良好，也经不起几千次重复擦写。即使把信息储存于DVD上且保存良好，几十年后信息也会因为载体材料氧化而丢失。
长期而安全地储存信息，如今关乎每个人的工作与生活。虽然目前我们的方法远不及动画片中超人的记忆晶体碎片，但科学家正试图彻底改变这一状况。
早在1996年，美国哈佛大学的物理学家就设想，将信息写入一种耐久的、类似玻璃的透明材料。玻璃有很多优点，它能抵抗高温的炙烤、化学物质的腐蚀和机械力的损伤，甚至还有防弹功能。按照哈佛大学物理学家的研究方案，写入信息只需用一束极细的强激光在玻璃上刻出一小块刻痕，使刻痕处的折光率与周围部分不同即可;阅读信息只需将玻璃对着光线，检测刻痕处的图案就行。
科学家为实现这一设想着实下了一番功夫，倒不是玻璃难造，而是激光束难以精确控制，稍不注意，刻出的微小图案就有差错。好在这个问题在刚过去的2014年得到了解决。日本日立公司一听说这个成果，就迫不及待地想抓住机遇，要将这一技术用于熔融石英(一种类似玻璃的材料)，开发新型信息存储产品，计划2015年推向市场。
英国物理学家卡赞斯基也对这个技术感兴趣。他考虑能否在石英上刻出同时带有5种信息的刻痕，也就是不仅反映三维空间(长、宽、深)的变化，还记录入射激光脉冲的强度和偏振性。这样信息储存密度比日立公司的高8倍，可以在指甲大小的石英材料上保存万亿字节的信息，即可以存500万本每本10万字的书，差不多可以将一座大型图书馆塞进2个“指甲”。而且，卡赞斯基依据测试结果推测，这种材料所储存的信息可以耐1000℃高温，可以逃过核爆炸的损毁，可以安然保存100亿年，而地球自诞生到现在才45亿年。“这个寿命差不多与宇宙同在，与日月同辉，真称得上万寿无疆了。”卡赞斯基骄傲地说。
现在，卡赞斯基和他的团队每秒可以在这样的材料上写入1000字节(500个汉字)，但他们并不满足，正在加班加点地努力改进写入信息的速度，希望可以达到每秒写入 1兆字节，那样就可以配合录像进行实时储存了。
在大数据时代的今天，每时每刻都会产生海量数据，如何保存、如何调取是个特大问题。比如，上海市目前绝大多数路口、商家门口都安装了电子摄像头，监视来往车辆和行人的行踪，非常利于警方破案。但每天这么多摄像内容，信息量惊人，储存还是不储存?用什么储存?存3天，还是7天，抑或3个月?如果存储时间短，万一1年后破案要用就无从查阅了。
记忆玻璃技术投入实际应用后，这些问题将不再困扰人们，警方可以在1个“指甲”内追踪案犯若干年前的行踪。此外，气象台可以在“指甲”内追踪地球上的风云变幻，天文学家可以在“指甲”内追踪日月星辉、宇宙大爆炸。未来的人类乃至外星人也能借助这种技术了解我们这几代人的生活状态和文明成果。
奇妙的材料之三
虾丝
——横扫世界的塑料终结者
人类从20世纪60年代起开始广泛使用一次性尿布。换下来的一次性尿布难以分解，有一些可能要在垃圾堆里保存数百年之久，如果未来的考古学家刚好到那里进行考古发掘，他们或许会觉得如获至宝。对这些尿布的分析显示，20世纪末到21世纪初的人类是人类史上最为挥霍浪费的一代：连尿布都大量用上了不能降解的塑料，如同制造其他高档商品一样!
一次性尿布的内层是吸收尿液的聚丙烯酸酯塑料，外层是防水的聚乙烯塑料，塑料黏结剂将尿布的各部分黏合起来。尿布还被聚乙烯塑料包装起来出售。无论你喜欢也好，不喜欢也罢，这类石油来源的高分子聚合物是我们生活的这个时代的标志性材料。未来的历史学家可能将人类历史分为石器时代、青铜器时代、铁器时代和塑料器时代。
在未来的很多年间，人类还会使用塑料，塑料还会在这个世界存在。它们有极强的稳定性，一时半会也烂不掉，地球上已很难找到哪个地方没有它们的踪迹。遥远的海洋漩涡中卷集了塑料垃圾;深海洋底沉积着大量塑料垃圾;就连喜马拉雅山脉海拔8000米以上的“死亡地带”也有塑料垃圾，多到不得不请求登山探险队员每人每次义务清理数千克的地步。
然而，我们现在还摆脱不了对塑料的依赖，还没一种材料能像塑料那样柔软、便宜、有强度。目前世界上少量可生物降解的塑料都是以植物纤维素制成的。虽然植物纤维素是自然界最丰富的有机高分子化合物，但它们价格高昂，科学家花了近半个世纪的时间努力改进技术以降低成本，也只能使植物源可降解塑料达到1%的市场占有率。
就在大家几近灰心的时候，甲壳素闪现了希望的光芒。美国哈佛大学仿生工程研究所的英格伯和弗南德兹考虑，用植物纤维素替代塑料难以让人满意，用甲壳素替代塑料的效果又怎样呢?甲壳素广泛存在于虾、蟹、昆虫等动物的外壳中，是地球上含量第二丰富的天然有机高分子。心动不如行动，他们将甲壳素与蜘蛛丝蛋白结合，制成了不溶于水的纤维状蛋白质材料。我们姑且叫它虾丝吧。
虾丝不会燃烧，因而可以用作阻燃剂。此外，它还有很多吸引人的特点，一是它的坚韧度胜过其原材料甲壳素，而且可通过调节含水量而调高或调低;二是它的可塑性堪比铝合金，容易铸模成型;三是它具有可降解性，一旦用它制作的东西我们不想要了，可以随便丢到潮湿的地方，要不了几星期，微生物就能将其变成一堆肥料。
英格伯和弗南德兹正在寻找投资，以帮助进一步降低虾丝的应用成本。虾丝如能在可塑性上更进一步，将令其他材料望尘莫及。于是，这对科研搭档将目光转向了壳聚糖——一种从甲壳素转化来的成分。他们用壳聚糖改进的虾丝为原料，以生产塑料制品的常用方法成功地制造了一副国际象棋，验证了虾丝的实用性。他们希望以此代替塑料，制造各种精致的日用品，如便宜的儿童玩具、各种瓶子、手机零部件等。
虾丝很有弹性，其优良的特性使其在很多方面能够代替塑料，甚至可以用来生产薄薄的塑料袋。虾丝一切都很理想，唯一缺点就是，用它生产的尿布会让几个世纪后的考古学家大失所望，不过，做任何事情都众口难调，不是吗?
奇妙的材料之四
自我修复的高分子材料
——能再生的材料
想象一下：汽车能自我修复刮痕，不需再次喷漆，不用织补沙发座椅;大桥不会老旧，桥墩和桥梁能自我翻新;飞机的机翼和机身能不断自我更新，永不磨损和锈蚀，乘坐永远舒适、安全。
这些梦想对于美国工程师斯科特·怀特来说，不算是遥不可及的梦想。他是最早研究具有自我修复能力的高分子材料的科学家之一。时间追溯到2001年，怀特研制了一种类似塑料的材料。它由很多微型胶囊构成，一旦某处出现裂痕或空洞，里面的微型胶囊就会破裂，向破损处释放具有修复作用的试剂，使裂痕得到修复，材料再次聚合。怀特将这项技术产业化，做成涂层，用来保护各种设备，从桥梁到直升机旋翼，使其免遭恶劣环境的侵害。
真正商业化的自我修复高分子材料目前并不多见，不过，一些实验室研发的新材料，已经显示出自我修复的潜力。一种叫聚六氢三嗪的高分子材料(PTH)，既可以是固体，也可以是液态胶水，与碳纳米管等超强材料化合在一起，可以替代金属做汽车的零配件，也可以用来生产特殊的指甲油。这种指甲油女士仅需涂一次，以后就不用再涂，因为它不会褪色，不怕磨损。
目前绝大多数自我修复高分子材料只能修复很小的裂纹或凹痕，宽度大概100微米，相当于一根头发丝的直径。2014年初，怀特的研究团队宣布发明了一种可修复3厘米宽裂痕的材料。这种材料内布满很细的管道，里面含有化学前体物质：一种黏性物质能迅速凝结而堵住裂缝，弹性高分子物质则起到加固作用。目前这种材料实现大规模生产还有很多路要走。不过，只要科学家努把力，再加上些研究经费，10年内有可能造出第一种实用的修复大尺寸裂纹的自我修复材料。
研究人员把更长远的目标锁定在能够完全自我再生的材料上。怀特说：“人的骨头不断在更新，7年全部更新一遍。想象一下，如果能造出一个可以自我更新的工程结构件，将是何等神奇!”
怀特考虑，这需要一些智能的、可逆的化学反应帮忙。在这些化学反应中，一部分高分子聚合物的化学键断裂，而另一部分则在重建，始终处于破坏—重建—加固的动态过程中。实现这一过程，则需要智能材料的结构中有适当的处于亚稳态的起始物质。这样才能制造出像骨头那样可以代谢的高分子材料。想使用如此完美的材料，不得不说为时尚早。“还有很多科学上的硬骨头要啃。”怀特鼓励大家，“但我们要有远大的梦想。”
奇妙的材料之五
气凝胶
——比空气还轻
早在20世纪30年代，一位名叫克斯提尔的美国化学家制造了当时世界上最轻的材料。他的绝技是去除硅胶溶液中的液体，使之凝固成极细而密布纳米空泡的骨架，做成含99%空气的超轻材料。这种超轻硅胶材料看上去像是凝固的烟雾，因而克斯提尔称之为“气凝胶”。
这种气凝胶极其脆弱，在此后的六七十年里仅被当作好玩的稀奇玩意儿。但近十多年，科学家开始动脑筋发掘它的实用价值。化学家用玻璃纤维加固以增强其力学性能，或灌注极薄的高分子聚合物以提高其弹性。美国国家航空航天局的科学家还合成了全高分子塑料的气凝胶，其弹性如同橡胶，强度超过克斯提尔最初制造的气凝胶500倍。
与此同时，还有大量的气凝胶应用方面的探索。气凝胶孔内的空气使其成为隔音超级明星，可以用来制作隔音墙，厚度1厘米的气凝胶就相当于5厘米优质泡沫塑料的隔音效果。气凝胶能使玻璃窗比传统双层硅酸盐玻璃窗更保暖，质量却比后者轻得多。高端冬季运动服也纷纷使用气凝胶。新款谷歌平板电脑也使用了特制的气凝胶，使其质量比传统的减少一半。
另有一类新型气凝胶具有革命性的应用前景。它的原料不是硅胶或高分子，而是金属。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家2005年偶然发现一种制备金属气凝胶的简便方法：点燃一些过渡金属化合物，燃烧之后就能神奇地形成如海绵一样的新东西。尽管金属气凝胶不适合作为隔音、隔热设备，但它拥有极高的表面积——每克金属气凝胶的表面积可达3000平方米，而且金属气凝胶有导电性，还有很好的化学反应活性。仅这几项特性就有可能帮助我们降低能源消耗、改善环境。比如，铁和镍是很好的化学催化剂，但效率不高，把它们做成气凝胶后可以替代效率很高但价格高昂的金属铂，在下一代工业生产中充分发挥催化作用，而不必消耗大量能源。
金属气凝胶的另一个用途是储存氢气。铍是质量最轻的四种元素之一，化学性质类似镁和钙。用它做成的气凝胶又牢又轻，可以用来储存氢气。虽然其储氢能力低于合金，但它释放氢气时不像合金那样需要高温加热，因而更加安全。科学家希望将这种气凝胶用于氢能汽车。
像铁和镍一样，我们常见的铜有诸多催化作用。2014年，科学家发现用铜制备的气凝胶有望用来吸附空气中的二氧化碳，进行人工光合作用，合成工业上所需的碳水化合物。此外，科学家还在研究其他具有超强化学吸附功能的金属气凝胶。如果这些金属气凝胶做成的“蓝天拖把”真正发挥作用，大量吸附空气中的二氧化碳和各种污染物，没准很快就能还我们一个清新的大气层呢!
奇妙的材料之六
方钴矿
——吞噬余热发电
热力学定律证明，能量消耗的一半以上是以废热的形式浪费了，不管是汽车耗油，还是洗衣机耗电，抑或是工厂里的油、电消耗。有些设备产生的废热比例更高，比如，汽车发动机浪费的比例高达三分之二!如果新技术能利用其中哪怕一小部分来发电，那也是大规模提高能量利用率的进步。
热电材料正是能干这种活的材料，它能引导热量流向自己并发电。在汽车排气管周围捆上热电材料，所发的电可以支持车内的电器设备运行;把热电材料配置在冰箱压缩机处，用冰箱散发的热发电可以支持冰箱的运行;把热电材料配置在太阳能电池上，太阳光所有谱段产生的热都可以被吸收发电，而不像目前的太阳能电池只能利用1~2个谱段。
这样看来，热电材料的应用应该丰收无虞。但上述理想的画面到目前为止还没成为现实。不过，理论上最有效的热电材料已经找到，就是碲化铅。目前它还没投入使用，是因为人们对铅的恐惧，以及铅应用于电器设备方面的立法限制。虽然铅可以用毒性低的铋来替代，但另一种原料碲的价格不便宜，而且还在上涨，还是抵消了这个方案的优势。
为了几十年的研究成果不致付诸东流，科学家正设法寻找低成本的热电材料。令人沮丧的是，绝大多数替代材料的热电转换效率平平，而且越是高温，转换效率越低，因此无法应用于产生高温废热的汽车发动机。
现在，热电材料的研究领域出现了一颗新星——方钴矿，它有望在多个方面大显其能。方钴矿材料家族的化合物中，铈或镱等稀有金属的原子，可在钴原子和锑原子组成的笼状结构周围自由穿梭，构成一种特别擅长捕集热量的独特结构，使电子通过笼状结构产生电流。而且，捕获的热量越多，产生的电流越大。
美国通用汽车公司的科学家梅讷斯正在美国能源部的资助下，努力提高方钴矿热电材料的发电效率，争取2016年研制出利用废热发电的汽车原型，希望废热发的电能支持汽车的照明灯泡、收音机等电器设备工作。梅讷斯设想，热电材料制成的发电机还可以利用废热给混合动力汽车的电池充电。
中国为保护环境和自然资源，严控稀有金属的开采和出口，因此方钴矿的原材料在国外难以采购。2014年，日本大阪大学的科学家找到了便宜的解决办法，用镍和铁替代铈和镱，但不幸的是，同时不得不加入另一种有毒的元素铊，导致应用无望。受该研究的启发，梅讷斯尝试在方钴矿中掺一些铁，以降低成本，并探索能否用更便宜的钙来代替部分或全部稀有金属。
近来的研究发现，把方钴矿材料的笼状结构扭一扭，可以耐更高温度吸热发电，可在550℃条件下工作，差不多可以吸收轧钢厂的废热发电。与此同时，其他结构奇特的化合物也有很好的热电效应，例如，有的能在较低温度下发电。
说了半天，其实热电材料的研究进展并不快，科学家还在探索、寻找更有效的奇妙材料。这个过程困难重重，如爬陡坡、登险峰，每一点进步都来之不易，却离最终目标更进一步。
奇妙的材料之七
人工骨髓
——白血病患者的希望
人体的器官都很重要，但有的一出问题就将危及生命，如胃、肠、脾、胰等，所以它们被装进肚子里。有一些器官出现问题将严重危及生命，如心脏、肺、肝脏等，所以它们被放在胸部，由肋骨、胸骨、脊柱等组成的“笼子”加以保护。更为重要的器官，如脑，一旦出现问题将直接危及生命，所以被放在颅腔里，由严严实实的骨头、圆弧形抗压结构加以保护。你能想象还有什么器官能尊享大脑的待遇，受到骨头严格保护吗?
那就是骨髓。骨髓既是重要的造血器官，又是重要的免疫器官。
骨髓从胚胎期第4个月开始从肝、脾接过造血的接力棒，到第5个月就基本成了造血中心。骨髓含有造血干细胞等多种干细胞。血液的所有细胞成分都来源于造血干细胞，它们每小时产生100亿个运输氧气的红细胞，产生几亿个起免疫作用的粒细胞、单核细胞、巨核细胞、血小板等，以维持血液循环，监视防范外源病毒、细菌和真菌对人体的侵害，清理自体衰老、癌变的细胞。
可以想见，如此重要的器官，一旦发生病变，问题就很严重。白血病就是一类造血干细胞异常的恶性疾病。白血病发病率居我国肿瘤发病率的第六位，虽然儿童、青少年的急性白血病可用中国科学家发明的维甲酸和砷剂治愈，但大部分患者还是要依赖骨髓干细胞移植治疗。而骨髓干细胞移植深为现代医学所头疼：寻找供体、配型、捐献、控制排异反应等，每个方面都很复杂，而且配型吻合者寥寥。
德国图宾根大学的科学家考虑，可否研制人工骨髓用于白血病患者的移植呢?这一想法的关键是模仿造血干细胞生存的复杂微环境，涉及特殊材料和特殊结构。骨髓中造血区域的骨头高度疏松，类似海绵，这种环境不仅调节造血干细胞和骨髓细胞，而且能实现多种类型细胞之间信号物质的高效交换。因此，研制人工骨髓既要模仿骨髓的硬环境，又要模仿其他细胞(造血干细胞之外的)组成的软环境。
研究人员在乙二醇液体中加入很细的食盐，让乙二醇聚合成半软半硬的状态，再放入水中使食盐溶解，留下食盐颗粒原来所占的空间，模仿出多孔如海绵的松质骨结构。为了让这个人工松质骨更容易吸附细胞，他们在聚乙二醇上连接特殊的氨基酸片段，模拟细胞与松质骨间的界面。最后，将造血干细胞和骨髓干细胞混合，一起种入人工松质骨，组装成人工骨髓。骨髓干细胞及其后代能分泌多种化学物质，构成造血干细胞需要的化学微环境。经过10天培养，一切如愿，造血干细胞数量和比例大大提升，证明人工骨髓顺利研制成功。
这种人工骨髓不仅为白血病的治疗提供新思路、新希望，也为揭示天然骨髓的一系列特性奠定了技术基础。
奇妙的材料之八
纳米电源
——摩擦也疯狂
在一些神话题材的影视剧中，神仙一伸手就有一道耀眼的电光射出，如雷雨时闪电一般斩妖除魔，神乎其神，赚足了眼球。这种本事普通人当然望尘莫及。我们最多在秋冬的夜晚，黑暗中手碰到带化纤布料的衣服时，因摩擦而放出几个电光小火花，一闪就消失。
摩擦起电与静电是日常生活中非常普遍的现象，但能量很微弱，也很难收集和利用，成为人们忽略的一种能源形式。不过现在不同了，普通人随手放电很可能成为实现，而且电的来源就是摩擦。
有的材料受到外力作用时，能将机械能转变成电能，这被称作压电效应。美国佐治亚理工学院的华裔科学家王中林教授2006年发现，氧化锌纳米棒受力弯曲时会产生微弱的电压，于是他想到用纳米棒做成纳米电源。
当时的纳米电源电压仅为0.006~0.009伏。几番改进后，电压可达0.15~0.35伏，仍无大用。为了提高放电电压、加大电流，研究人员来回拨动纳米棒，结果得到了交流电，实现最高电压37伏、最大电流12微安的不错成绩，但还是不堪大用。
这时有人想到摩擦起电，将摩擦与纳米电源联系起来：将两块材料的摩擦面做成齐整密布、具有压电效应的纳米结构。这样两块材料来回摩擦，会产生群体压电效应，造成群体纳米电源叠加。说起来容易做起来难，横向摩擦很容易损坏纳米结构、磨平接触面。他们的解决方案是，不让两块材料做水平摩擦，而做上下移动。也就是将两块材料的纳米结构插入对方的缝隙，造成摩擦起电，就像两只手的手指不断交叉、分开，来回摩擦。这样手就是柔性薄膜，手指就是纳米电极，在它们间实现摩擦起电，从而创造了电压达18伏的摩擦纳米电源系统。
这样的摩擦式纳米电源已经可以为体积很小的微-纳电子器件供电，可使这样的器件结构变简单，生产工艺简化，制造成本下降，使用寿命延长，利于大规模工业化生产与实际应用。
日常生活中存在很多低频率的来回运动或振动，这些低频机械能能否转化为电能呢?科学家开发出以铝-聚四氟乙烯塑料为电极的纳米电源，在2~200赫之间都可发电。频率为14.5赫的机械运动最高输出电压达287.4伏，大大高于日常用电电压220伏的标准。北京大学的张海霞教授进一步将电极做成特殊的“三明治”结构，摩擦频率在5赫时，电压甚至可达320伏!
现在开始将你的双手十指相扣来回搓动吧，看看每秒能搓动几次。戴上用柔性纳米摩擦电极材料做成的手套后，能否实现220伏电压的输出，能否驱动若干电器，能否如神仙般随手放出闪电，就看你的双手了。
奇妙的材料之九
木材
——古老偏好的复活
世界人口越来越多，城市越变越大，我们的生活方式将不得不越来越“高层化”。未来的摩天大楼很可能要用常规建筑材料：生产能耗很大的钢筋和水泥。当然了，也可能使用一些目前实验室里刚研制的新材料，也许是石墨烯——一种备受欢迎的碳材料，力学强度是等质量钢的100倍以上;也许是其他超强的纳米材料。
但是，还有一种可能：摩天大楼是用木头盖起来的。
木头是最古老的工程结构材料，它容易获取，用起来也没什么浪费，如果砍伐得当，也是可再生、可持续的资源。随着社会进步，高层建筑兴起，木材因其支撑强度有限，使用率逐渐下降。近年来，情况悄悄发生了变化。以木材为基础的材料又开始用于高层建筑上。
把针叶林木材一端做成锯齿形结构，互相插接，再用胶水加固，既轻巧又坚固，这种材料在建筑领域掀起了应用高潮。澳大利亚墨尔本维多利亚港有一座10层高的建筑叫福泰大厦，2012年建成，就是用木材建成的公寓楼，也是世界上最高的木质结构建筑。不过，这个纪录很快就要被打破。坐落在挪威卑尔根市的一栋高49米的14层居民楼，也是木材建的，预计2015年下半年就会完工。
美国一家著名的建筑公司研究认为，用木头为主要材料建造一幢125米高的摩天大楼，在技术上完全可行，木头之外只要辅以高强度的水泥连接即可。经测算，这种建筑的能耗和温室气体排放量(碳足迹)只是钢筋混凝土建筑的25%~40%。
摩天大楼越来越垂青木材，说怪也不怪，我们姑且称这样的大楼为“摩天木楼”吧。2014年3月，美国农业部联合一家木材加工设备公司宣布，将投资200万美元(约1200万人民币)重奖探索让“摩天木楼”“长命百岁”的方法，为未来建造“摩天木楼”奠定理论基础。
重赏之下必有奇才。英国剑桥大学的植物生物化学家鲍尔·杜普利考虑，可以充分利用植物体内的抗压结构。细胞外层的刚性细胞壁为植物提供了足够的力学强度，但在分子层面上，这个力学强度来自何处，人们所知寥寥。我们虽然知道细胞壁里有纤维素、木质素和各种多糖分子，可这些成分如何组装起来才能获得最高的力学强度?杜普利觉得要找到“摩天木楼”长久于世的方法，切入点就在这里。
杜普利和建筑师以及高分子专家组成的团队已获得了一笔资助，开展细胞壁分子结构的研究。他们用不同树种的木材制成样品，放入磁共振仪内，测定样品内的化学分子结构。他们的短期目标是找到几种高分子物质，希望它们注入木材后能起到加固作用;长期目标是希望破译细胞壁分子结构的信息，从而进一步从遗传角度设计出强度更高、可用作建造“摩天木楼”的树木新品种。
除了建筑，木材在其他领域也大有用武之地。木材及其衍生品可用于生产生物燃料，也有人设想将其做成柔软又便宜的纸制品，替代硅制造电子产品——或许未来的电脑将拥有纸做的芯片。
看来，所谓传统与未来或许只有一步之遥。只要有21世纪的知识与眼光就不难推测，传统材料经过一番改造就能变身为未来的材料。
奇妙的材料之十
新型甲骨
——再续文明数千年
前文讲到，指甲盖大小的记忆玻璃就能够存储一座图书馆的信息，馈赠给几亿、几十亿年之后的人类。这可能使未来的社会失去一个职业——考古学家，但会催生另一个职业——“古电脑学家”。因为这些指甲盖大小的图书馆所藏的内容，必须借助我们现在使用的电脑才能阅读、观看。经过如此漫长的沧海桑田、宇宙变幻，很难说未来的人类还会保留现在这些阅读工具。连我们自己都懒得去阅读十年、二十年前的所谓电脑文件，更早早把那时的电脑扔到不知哪个垃圾场、哪个废品收购站，又不知回收用来做了什么，更何况上亿年之后的人呢?我们以今人之心，度亿年后人之腹，估计那时只有“古电脑学家”才能读懂“指甲盖”文献，以及大量保存的网络信息，普通百姓恐怕难有问津。
不过，有一种可能性似乎更大一些。那就是把信息写在石头上，恐怕将来还有普通人收藏、玩一玩、看一看。至少我们现在还有兴趣看一看5000年以前甚至史前人类刻在石头上的岩画——虽然粗犷、古朴，却是先民们给后人展示的当时的生产方式和生活场景。岩画遍及世界五大洲150多个国家和地区，包括中国。岩画中的各种图像构成了文字发明以前原始人类最早的“文献”。
文字发明以后，人类将信息记录在动物的骨头上，形成甲骨文。我们现在还能够读到距今3400—3100年前的甲骨文文献。现在使用的汉字由甲骨文演变而来，我们能够借助词典阅读甲骨文，甚至有人模仿甲骨文的用笔、结构等练习书法。
甲骨文是镌刻或写在龟甲和兽骨上的文字。有趣的是，龟甲和兽骨的化学成分和分子结构与人体骨骼相同，都是羟基磷灰石。人类的活动常与事故和疾病相伴。为修复人体因各种事故、病损(骨肿瘤切除)、脱落(牙齿)所造成的骨缺损，近20年来全世界有大量科学家投入研究，人工合成、修饰、加工羟基磷灰石，期望能解除伤者和患者的痛苦。由于天然骨的羟基磷灰石有特殊的纳米结构，科学家需要合成纳米级羟基磷灰石。在此基础上，才能仿生制备有活性的人工骨，帮助骨骼迅速恢复健康。
中国科学院上海硅酸盐研究所的科学家朱英杰教授，在用水热法探索廉价、快速、大量合成羟基磷灰石的研究中，偶然发现得到的纳米羟基磷灰石又细又长。当时朱英杰教授就产生一个大胆的设想，可否合成大量又长又细(保持纳米级直径)的纳米线，像纸浆纤维那样做成大片纸张呢?这样医生可以剪取任意大小、任意形状的纸片，任意叠加厚度，方便轻松地修补奇形怪状的骨缺损，也许可以就此解决羟基磷灰石临床应用的最后一道难题。
于是朱英杰教授调整配方，辅以超声波控制合成过程，终于合成长纳米线，制造出羟基磷灰石纸。这种纸又白又软，可折叠，不含任何有机成分，只是石头本质(羟基磷灰石嘛)，耐腐蚀，零污染。尤为奇特的是它不怕火，1000℃以上的火焰烧烤，上面书写的文字也不会消失——这不是人类书写的最好载体吗!
人类自从有书籍以来，记录在书籍里的文明有多少次葬身于火海!远的如秦始皇焚书坑儒(竹简写成的书)，近的如1932年日本帝国主义进犯上海，焚毁了商务印书馆当时号称东亚第一的图书馆，全部46万册藏书，以及价值连城的善本孤本图书从此绝迹人寰。用纸做成书来承载文明，实在太脆弱了。朱英杰教授希望自己不经意间发明的新书写载体，从此保全人类文明免于火灾，至少可用于需要永久保存的档案。
不过，这种羟基磷灰石纸与人体细胞的“关系”不太好，细胞不太愿意待在纸上繁衍生息，为主人连接骨头修复损伤。这让朱教授颇感沮丧。不过，他的成果已经令全世界为之轰动，在发明了与甲骨成分和结构相同的新型书写载体的成就面前，小小沮丧又何妨?
要给后世，比如3000年后的人类，留下今人辉煌的文明，恐怕还是把信息书写于现代甲骨——柔软、耐火、永远洁白的羟基磷灰石纸上更好，这样每一位普通人不用借助“古电脑”即可浏览、阅读、思考。
奇妙的材料之一
二维锡
——电子飞驰的超高速公路
从外观上看，我们的智能手机似乎挺灵巧可爱的，但承载信息传输的电子在微处理器的芯片内跑得并不那么有条不紊。美国斯坦福大学的物理学家张首晟教授这样形容电子在固体物质内部的运行：“就像穿行于拥挤的菜市场，到处磕磕碰碰，似乎导电体内杂质成堆。”
如果你的手机充电几小时后动不动就死机，或是热得烫手，问题就出在电子的杂乱运动。每次电子互相碰撞一下都会产生热。电子器件内纷繁复杂的电路里，电子产生的废热必须及时地、迅速地传导出去，否则就会损伤电路。但在手机里这几乎不可能做到，电脑内也一样。废热成了影响手机和电脑芯片工作效率的主要问题。
如果有一种材料在传导电子的时候没有任何阻力，不产生任何热，也就完全没有上述烦恼了。过去的一个多世纪里，物理学家一直以为超导材料是最好的选择，但研究来研究去，最后发现自己好像被超导现象给骗了——绝大多数超导材料只能在接近绝对零度(-273℃)时才表现出超导特性。虽然科学家还在持续努力，但实现常温超导恐怕还要再等一个世纪。
张首晟教授放弃超导另辟蹊径。他于2007年在世界上首次合成了一类叫拓扑绝缘体的奇特材料：内部是绝缘材料，表面却能导电，而且电子可以完全自由移动。因为电子只是从表面的原子上传导，产生了一种电子-自旋耦合量子相互作用效应，消除了电子移动时不断掉头的现象，也免除了电子从材料内部“打洞”前进的困难。与现有的电子产品中电子的移动相比，拓扑绝缘体上的电子传导就像汽车从拥挤的街道驶上高速公路。
其实，拓扑绝缘体上的电子传导也不十分规矩，电子在材料的表面也时常做“回转滑雪运动”，难以在一条轨道上直线飞驰，因而还会产生热，仍有散热的烦恼，除非将其冷却到绝对零度附近，要不然电子不会老老实实地沿直线传导。为解决这个问题，张首晟教授设法制作了一种特别的膜——单层锡原子膜。它只有一层原子构成，薄得不能再薄了，科学家称之为二维膜。结果，电子们听话了，乖乖地沿跑道直线前进。原因是，这么薄的膜对电子运动方向拥有超强的约束能力，不给电子选择道路的机会，只能沿材料的边缘移动，而且低温、常温都一样起到约束作用。
由于是真正的零产热材料，这种膜可能首先被用于制造微处理器芯片的导线，可以极大地降低能源消耗和废热。当然，这种膜也可以用作把热能直接转化为电能的热电材料。
不过，现在要大量做出真正的单层锡原子膜产品为时尚早，虽然很多人非常乐观，但实际上都是纸上谈兵。假如单层锡原子膜能做出来，实现表面100%导电效率，就会迅速应用于各种电子产品。张首晟教授说：“这一天，乐观地估计要5年时间，客观地估计要10年时间。”
奇妙的材料之二
记忆玻璃
——给外星人的一封信
美国经典科幻漫画《超人》的主人公来自遥远的外星球，他具有地球人无法企及的超能力。一次，超人碰巧飞到了一座晶莹剔透的神秘建筑里，在那里他看到了一块奇特的晶体碎片，立刻找回了自己儿时的记忆，想起了早已忘记的故乡——原来那块奇特的晶体碎片替他的大脑储存了大量儿时的生活信息。假如人类也能将记忆永久地储存于某个物体上，那不是一件令人惊奇的事吗?
当然，现在人类已有多种途径储存信息。但是，信息存在电脑硬盘里很容易丢失，存在软盘里又很容易因高温而损坏;即使这些硬盘或软盘保存良好，也经不起几千次重复擦写。即使把信息储存于DVD上且保存良好，几十年后信息也会因为载体材料氧化而丢失。
长期而安全地储存信息，如今关乎每个人的工作与生活。虽然目前我们的方法远不及动画片中超人的记忆晶体碎片，但科学家正试图彻底改变这一状况。
早在1996年，美国哈佛大学的物理学家就设想，将信息写入一种耐久的、类似玻璃的透明材料。玻璃有很多优点，它能抵抗高温的炙烤、化学物质的腐蚀和机械力的损伤，甚至还有防弹功能。按照哈佛大学物理学家的研究方案，写入信息只需用一束极细的强激光在玻璃上刻出一小块刻痕，使刻痕处的折光率与周围部分不同即可;阅读信息只需将玻璃对着光线，检测刻痕处的图案就行。
科学家为实现这一设想着实下了一番功夫，倒不是玻璃难造，而是激光束难以精确控制，稍不注意，刻出的微小图案就有差错。好在这个问题在刚过去的2014年得到了解决。日本日立公司一听说这个成果，就迫不及待地想抓住机遇，要将这一技术用于熔融石英(一种类似玻璃的材料)，开发新型信息存储产品，计划2015年推向市场。
英国物理学家卡赞斯基也对这个技术感兴趣。他考虑能否在石英上刻出同时带有5种信息的刻痕，也就是不仅反映三维空间(长、宽、深)的变化，还记录入射激光脉冲的强度和偏振性。这样信息储存密度比日立公司的高8倍，可以在指甲大小的石英材料上保存万亿字节的信息，即可以存500万本每本10万字的书，差不多可以将一座大型图书馆塞进2个“指甲”。而且，卡赞斯基依据测试结果推测，这种材料所储存的信息可以耐1000℃高温，可以逃过核爆炸的损毁，可以安然保存100亿年，而地球自诞生到现在才45亿年。“这个寿命差不多与宇宙同在，与日月同辉，真称得上万寿无疆了。”卡赞斯基骄傲地说。
现在，卡赞斯基和他的团队每秒可以在这样的材料上写入1000字节(500个汉字)，但他们并不满足，正在加班加点地努力改进写入信息的速度，希望可以达到每秒写入 1兆字节，那样就可以配合录像进行实时储存了。
在大数据时代的今天，每时每刻都会产生海量数据，如何保存、如何调取是个特大问题。比如，上海市目前绝大多数路口、商家门口都安装了电子摄像头，监视来往车辆和行人的行踪，非常利于警方破案。但每天这么多摄像内容，信息量惊人，储存还是不储存?用什么储存?存3天，还是7天，抑或3个月?如果存储时间短，万一1年后破案要用就无从查阅了。
记忆玻璃技术投入实际应用后，这些问题将不再困扰人们，警方可以在1个“指甲”内追踪案犯若干年前的行踪。此外，气象台可以在“指甲”内追踪地球上的风云变幻，天文学家可以在“指甲”内追踪日月星辉、宇宙大爆炸。未来的人类乃至外星人也能借助这种技术了解我们这几代人的生活状态和文明成果。
奇妙的材料之三
虾丝
——横扫世界的塑料终结者
人类从20世纪60年代起开始广泛使用一次性尿布。换下来的一次性尿布难以分解，有一些可能要在垃圾堆里保存数百年之久，如果未来的考古学家刚好到那里进行考古发掘，他们或许会觉得如获至宝。对这些尿布的分析显示，20世纪末到21世纪初的人类是人类史上最为挥霍浪费的一代：连尿布都大量用上了不能降解的塑料，如同制造其他高档商品一样!
一次性尿布的内层是吸收尿液的聚丙烯酸酯塑料，外层是防水的聚乙烯塑料，塑料黏结剂将尿布的各部分黏合起来。尿布还被聚乙烯塑料包装起来出售。无论你喜欢也好，不喜欢也罢，这类石油来源的高分子聚合物是我们生活的这个时代的标志性材料。未来的历史学家可能将人类历史分为石器时代、青铜器时代、铁器时代和塑料器时代。
在未来的很多年间，人类还会使用塑料，塑料还会在这个世界存在。它们有极强的稳定性，一时半会也烂不掉，地球上已很难找到哪个地方没有它们的踪迹。遥远的海洋漩涡中卷集了塑料垃圾;深海洋底沉积着大量塑料垃圾;就连喜马拉雅山脉海拔8000米以上的“死亡地带”也有塑料垃圾，多到不得不请求登山探险队员每人每次义务清理数千克的地步。
然而，我们现在还摆脱不了对塑料的依赖，还没一种材料能像塑料那样柔软、便宜、有强度。目前世界上少量可生物降解的塑料都是以植物纤维素制成的。虽然植物纤维素是自然界最丰富的有机高分子化合物，但它们价格高昂，科学家花了近半个世纪的时间努力改进技术以降低成本，也只能使植物源可降解塑料达到1%的市场占有率。
就在大家几近灰心的时候，甲壳素闪现了希望的光芒。美国哈佛大学仿生工程研究所的英格伯和弗南德兹考虑，用植物纤维素替代塑料难以让人满意，用甲壳素替代塑料的效果又怎样呢?甲壳素广泛存在于虾、蟹、昆虫等动物的外壳中，是地球上含量第二丰富的天然有机高分子。心动不如行动，他们将甲壳素与蜘蛛丝蛋白结合，制成了不溶于水的纤维状蛋白质材料。我们姑且叫它虾丝吧。
虾丝不会燃烧，因而可以用作阻燃剂。此外，它还有很多吸引人的特点，一是它的坚韧度胜过其原材料甲壳素，而且可通过调节含水量而调高或调低;二是它的可塑性堪比铝合金，容易铸模成型;三是它具有可降解性，一旦用它制作的东西我们不想要了，可以随便丢到潮湿的地方，要不了几星期，微生物就能将其变成一堆肥料。
英格伯和弗南德兹正在寻找投资，以帮助进一步降低虾丝的应用成本。虾丝如能在可塑性上更进一步，将令其他材料望尘莫及。于是，这对科研搭档将目光转向了壳聚糖——一种从甲壳素转化来的成分。他们用壳聚糖改进的虾丝为原料，以生产塑料制品的常用方法成功地制造了一副国际象棋，验证了虾丝的实用性。他们希望以此代替塑料，制造各种精致的日用品，如便宜的儿童玩具、各种瓶子、手机零部件等。
虾丝很有弹性，其优良的特性使其在很多方面能够代替塑料，甚至可以用来生产薄薄的塑料袋。虾丝一切都很理想，唯一缺点就是，用它生产的尿布会让几个世纪后的考古学家大失所望，不过，做任何事情都众口难调，不是吗?
奇妙的材料之四
自我修复的高分子材料
——能再生的材料
想象一下：汽车能自我修复刮痕，不需再次喷漆，不用织补沙发座椅;大桥不会老旧，桥墩和桥梁能自我翻新;飞机的机翼和机身能不断自我更新，永不磨损和锈蚀，乘坐永远舒适、安全。
这些梦想对于美国工程师斯科特·怀特来说，不算是遥不可及的梦想。他是最早研究具有自我修复能力的高分子材料的科学家之一。时间追溯到2001年，怀特研制了一种类似塑料的材料。它由很多微型胶囊构成，一旦某处出现裂痕或空洞，里面的微型胶囊就会破裂，向破损处释放具有修复作用的试剂，使裂痕得到修复，材料再次聚合。怀特将这项技术产业化，做成涂层，用来保护各种设备，从桥梁到直升机旋翼，使其免遭恶劣环境的侵害。
真正商业化的自我修复高分子材料目前并不多见，不过，一些实验室研发的新材料，已经显示出自我修复的潜力。一种叫聚六氢三嗪的高分子材料(PTH)，既可以是固体，也可以是液态胶水，与碳纳米管等超强材料化合在一起，可以替代金属做汽车的零配件，也可以用来生产特殊的指甲油。这种指甲油女士仅需涂一次，以后就不用再涂，因为它不会褪色，不怕磨损。
目前绝大多数自我修复高分子材料只能修复很小的裂纹或凹痕，宽度大概100微米，相当于一根头发丝的直径。2014年初，怀特的研究团队宣布发明了一种可修复3厘米宽裂痕的材料。这种材料内布满很细的管道，里面含有化学前体物质：一种黏性物质能迅速凝结而堵住裂缝，弹性高分子物质则起到加固作用。目前这种材料实现大规模生产还有很多路要走。不过，只要科学家努把力，再加上些研究经费，10年内有可能造出第一种实用的修复大尺寸裂纹的自我修复材料。
研究人员把更长远的目标锁定在能够完全自我再生的材料上。怀特说：“人的骨头不断在更新，7年全部更新一遍。想象一下，如果能造出一个可以自我更新的工程结构件，将是何等神奇!”
怀特考虑，这需要一些智能的、可逆的化学反应帮忙。在这些化学反应中，一部分高分子聚合物的化学键断裂，而另一部分则在重建，始终处于破坏—重建—加固的动态过程中。实现这一过程，则需要智能材料的结构中有适当的处于亚稳态的起始物质。这样才能制造出像骨头那样可以代谢的高分子材料。想使用如此完美的材料，不得不说为时尚早。“还有很多科学上的硬骨头要啃。”怀特鼓励大家，“但我们要有远大的梦想。”
奇妙的材料之五
气凝胶
——比空气还轻
早在20世纪30年代，一位名叫克斯提尔的美国化学家制造了当时世界上最轻的材料。他的绝技是去除硅胶溶液中的液体，使之凝固成极细而密布纳米空泡的骨架，做成含99%空气的超轻材料。这种超轻硅胶材料看上去像是凝固的烟雾，因而克斯提尔称之为“气凝胶”。
这种气凝胶极其脆弱，在此后的六七十年里仅被当作好玩的稀奇玩意儿。但近十多年，科学家开始动脑筋发掘它的实用价值。化学家用玻璃纤维加固以增强其力学性能，或灌注极薄的高分子聚合物以提高其弹性。美国国家航空航天局的科学家还合成了全高分子塑料的气凝胶，其弹性如同橡胶，强度超过克斯提尔最初制造的气凝胶500倍。
与此同时，还有大量的气凝胶应用方面的探索。气凝胶孔内的空气使其成为隔音超级明星，可以用来制作隔音墙，厚度1厘米的气凝胶就相当于5厘米优质泡沫塑料的隔音效果。气凝胶能使玻璃窗比传统双层硅酸盐玻璃窗更保暖，质量却比后者轻得多。高端冬季运动服也纷纷使用气凝胶。新款谷歌平板电脑也使用了特制的气凝胶，使其质量比传统的减少一半。
另有一类新型气凝胶具有革命性的应用前景。它的原料不是硅胶或高分子，而是金属。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家2005年偶然发现一种制备金属气凝胶的简便方法：点燃一些过渡金属化合物，燃烧之后就能神奇地形成如海绵一样的新东西。尽管金属气凝胶不适合作为隔音、隔热设备，但它拥有极高的表面积——每克金属气凝胶的表面积可达3000平方米，而且金属气凝胶有导电性，还有很好的化学反应活性。仅这几项特性就有可能帮助我们降低能源消耗、改善环境。比如，铁和镍是很好的化学催化剂，但效率不高，把它们做成气凝胶后可以替代效率很高但价格高昂的金属铂，在下一代工业生产中充分发挥催化作用，而不必消耗大量能源。
金属气凝胶的另一个用途是储存氢气。铍是质量最轻的四种元素之一，化学性质类似镁和钙。用它做成的气凝胶又牢又轻，可以用来储存氢气。虽然其储氢能力低于合金，但它释放氢气时不像合金那样需要高温加热，因而更加安全。科学家希望将这种气凝胶用于氢能汽车。
像铁和镍一样，我们常见的铜有诸多催化作用。2014年，科学家发现用铜制备的气凝胶有望用来吸附空气中的二氧化碳，进行人工光合作用，合成工业上所需的碳水化合物。此外，科学家还在研究其他具有超强化学吸附功能的金属气凝胶。如果这些金属气凝胶做成的“蓝天拖把”真正发挥作用，大量吸附空气中的二氧化碳和各种污染物，没准很快就能还我们一个清新的大气层呢!
奇妙的材料之六
方钴矿
——吞噬余热发电
热力学定律证明，能量消耗的一半以上是以废热的形式浪费了，不管是汽车耗油，还是洗衣机耗电，抑或是工厂里的油、电消耗。有些设备产生的废热比例更高，比如，汽车发动机浪费的比例高达三分之二!如果新技术能利用其中哪怕一小部分来发电，那也是大规模提高能量利用率的进步。
热电材料正是能干这种活的材料，它能引导热量流向自己并发电。在汽车排气管周围捆上热电材料，所发的电可以支持车内的电器设备运行;把热电材料配置在冰箱压缩机处，用冰箱散发的热发电可以支持冰箱的运行;把热电材料配置在太阳能电池上，太阳光所有谱段产生的热都可以被吸收发电，而不像目前的太阳能电池只能利用1~2个谱段。
这样看来，热电材料的应用应该丰收无虞。但上述理想的画面到目前为止还没成为现实。不过，理论上最有效的热电材料已经找到，就是碲化铅。目前它还没投入使用，是因为人们对铅的恐惧，以及铅应用于电器设备方面的立法限制。虽然铅可以用毒性低的铋来替代，但另一种原料碲的价格不便宜，而且还在上涨，还是抵消了这个方案的优势。
为了几十年的研究成果不致付诸东流，科学家正设法寻找低成本的热电材料。令人沮丧的是，绝大多数替代材料的热电转换效率平平，而且越是高温，转换效率越低，因此无法应用于产生高温废热的汽车发动机。
现在，热电材料的研究领域出现了一颗新星——方钴矿，它有望在多个方面大显其能。方钴矿材料家族的化合物中，铈或镱等稀有金属的原子，可在钴原子和锑原子组成的笼状结构周围自由穿梭，构成一种特别擅长捕集热量的独特结构，使电子通过笼状结构产生电流。而且，捕获的热量越多，产生的电流越大。
美国通用汽车公司的科学家梅讷斯正在美国能源部的资助下，努力提高方钴矿热电材料的发电效率，争取2016年研制出利用废热发电的汽车原型，希望废热发的电能支持汽车的照明灯泡、收音机等电器设备工作。梅讷斯设想，热电材料制成的发电机还可以利用废热给混合动力汽车的电池充电。
中国为保护环境和自然资源，严控稀有金属的开采和出口，因此方钴矿的原材料在国外难以采购。2014年，日本大阪大学的科学家找到了便宜的解决办法，用镍和铁替代铈和镱，但不幸的是，同时不得不加入另一种有毒的元素铊，导致应用无望。受该研究的启发，梅讷斯尝试在方钴矿中掺一些铁，以降低成本，并探索能否用更便宜的钙来代替部分或全部稀有金属。
近来的研究发现，把方钴矿材料的笼状结构扭一扭，可以耐更高温度吸热发电，可在550℃条件下工作，差不多可以吸收轧钢厂的废热发电。与此同时，其他结构奇特的化合物也有很好的热电效应，例如，有的能在较低温度下发电。
说了半天，其实热电材料的研究进展并不快，科学家还在探索、寻找更有效的奇妙材料。这个过程困难重重，如爬陡坡、登险峰，每一点进步都来之不易，却离最终目标更进一步。
奇妙的材料之七
人工骨髓
——白血病患者的希望
人体的器官都很重要，但有的一出问题就将危及生命，如胃、肠、脾、胰等，所以它们被装进肚子里。有一些器官出现问题将严重危及生命，如心脏、肺、肝脏等，所以它们被放在胸部，由肋骨、胸骨、脊柱等组成的“笼子”加以保护。更为重要的器官，如脑，一旦出现问题将直接危及生命，所以被放在颅腔里，由严严实实的骨头、圆弧形抗压结构加以保护。你能想象还有什么器官能尊享大脑的待遇，受到骨头严格保护吗?
那就是骨髓。骨髓既是重要的造血器官，又是重要的免疫器官。
骨髓从胚胎期第4个月开始从肝、脾接过造血的接力棒，到第5个月就基本成了造血中心。骨髓含有造血干细胞等多种干细胞。血液的所有细胞成分都来源于造血干细胞，它们每小时产生100亿个运输氧气的红细胞，产生几亿个起免疫作用的粒细胞、单核细胞、巨核细胞、血小板等，以维持血液循环，监视防范外源病毒、细菌和真菌对人体的侵害，清理自体衰老、癌变的细胞。
可以想见，如此重要的器官，一旦发生病变，问题就很严重。白血病就是一类造血干细胞异常的恶性疾病。白血病发病率居我国肿瘤发病率的第六位，虽然儿童、青少年的急性白血病可用中国科学家发明的维甲酸和砷剂治愈，但大部分患者还是要依赖骨髓干细胞移植治疗。而骨髓干细胞移植深为现代医学所头疼：寻找供体、配型、捐献、控制排异反应等，每个方面都很复杂，而且配型吻合者寥寥。
德国图宾根大学的科学家考虑，可否研制人工骨髓用于白血病患者的移植呢?这一想法的关键是模仿造血干细胞生存的复杂微环境，涉及特殊材料和特殊结构。骨髓中造血区域的骨头高度疏松，类似海绵，这种环境不仅调节造血干细胞和骨髓细胞，而且能实现多种类型细胞之间信号物质的高效交换。因此，研制人工骨髓既要模仿骨髓的硬环境，又要模仿其他细胞(造血干细胞之外的)组成的软环境。
研究人员在乙二醇液体中加入很细的食盐，让乙二醇聚合成半软半硬的状态，再放入水中使食盐溶解，留下食盐颗粒原来所占的空间，模仿出多孔如海绵的松质骨结构。为了让这个人工松质骨更容易吸附细胞，他们在聚乙二醇上连接特殊的氨基酸片段，模拟细胞与松质骨间的界面。最后，将造血干细胞和骨髓干细胞混合，一起种入人工松质骨，组装成人工骨髓。骨髓干细胞及其后代能分泌多种化学物质，构成造血干细胞需要的化学微环境。经过10天培养，一切如愿，造血干细胞数量和比例大大提升，证明人工骨髓顺利研制成功。
这种人工骨髓不仅为白血病的治疗提供新思路、新希望，也为揭示天然骨髓的一系列特性奠定了技术基础。
奇妙的材料之八
纳米电源
——摩擦也疯狂
在一些神话题材的影视剧中，神仙一伸手就有一道耀眼的电光射出，如雷雨时闪电一般斩妖除魔，神乎其神，赚足了眼球。这种本事普通人当然望尘莫及。我们最多在秋冬的夜晚，黑暗中手碰到带化纤布料的衣服时，因摩擦而放出几个电光小火花，一闪就消失。
摩擦起电与静电是日常生活中非常普遍的现象，但能量很微弱，也很难收集和利用，成为人们忽略的一种能源形式。不过现在不同了，普通人随手放电很可能成为实现，而且电的来源就是摩擦。
有的材料受到外力作用时，能将机械能转变成电能，这被称作压电效应。美国佐治亚理工学院的华裔科学家王中林教授2006年发现，氧化锌纳米棒受力弯曲时会产生微弱的电压，于是他想到用纳米棒做成纳米电源。
当时的纳米电源电压仅为0.006~0.009伏。几番改进后，电压可达0.15~0.35伏，仍无大用。为了提高放电电压、加大电流，研究人员来回拨动纳米棒，结果得到了交流电，实现最高电压37伏、最大电流12微安的不错成绩，但还是不堪大用。
这时有人想到摩擦起电，将摩擦与纳米电源联系起来：将两块材料的摩擦面做成齐整密布、具有压电效应的纳米结构。这样两块材料来回摩擦，会产生群体压电效应，造成群体纳米电源叠加。说起来容易做起来难，横向摩擦很容易损坏纳米结构、磨平接触面。他们的解决方案是，不让两块材料做水平摩擦，而做上下移动。也就是将两块材料的纳米结构插入对方的缝隙，造成摩擦起电，就像两只手的手指不断交叉、分开，来回摩擦。这样手就是柔性薄膜，手指就是纳米电极，在它们间实现摩擦起电，从而创造了电压达18伏的摩擦纳米电源系统。
这样的摩擦式纳米电源已经可以为体积很小的微-纳电子器件供电，可使这样的器件结构变简单，生产工艺简化，制造成本下降，使用寿命延长，利于大规模工业化生产与实际应用。
日常生活中存在很多低频率的来回运动或振动，这些低频机械能能否转化为电能呢?科学家开发出以铝-聚四氟乙烯塑料为电极的纳米电源，在2~200赫之间都可发电。频率为14.5赫的机械运动最高输出电压达287.4伏，大大高于日常用电电压220伏的标准。北京大学的张海霞教授进一步将电极做成特殊的“三明治”结构，摩擦频率在5赫时，电压甚至可达320伏!
现在开始将你的双手十指相扣来回搓动吧，看看每秒能搓动几次。戴上用柔性纳米摩擦电极材料做成的手套后，能否实现220伏电压的输出，能否驱动若干电器，能否如神仙般随手放出闪电，就看你的双手了。
奇妙的材料之九
木材
——古老偏好的复活
世界人口越来越多，城市越变越大，我们的生活方式将不得不越来越“高层化”。未来的摩天大楼很可能要用常规建筑材料：生产能耗很大的钢筋和水泥。当然了，也可能使用一些目前实验室里刚研制的新材料，也许是石墨烯——一种备受欢迎的碳材料，力学强度是等质量钢的100倍以上;也许是其他超强的纳米材料。
但是，还有一种可能：摩天大楼是用木头盖起来的。
木头是最古老的工程结构材料，它容易获取，用起来也没什么浪费，如果砍伐得当，也是可再生、可持续的资源。随着社会进步，高层建筑兴起，木材因其支撑强度有限，使用率逐渐下降。近年来，情况悄悄发生了变化。以木材为基础的材料又开始用于高层建筑上。
把针叶林木材一端做成锯齿形结构，互相插接，再用胶水加固，既轻巧又坚固，这种材料在建筑领域掀起了应用高潮。澳大利亚墨尔本维多利亚港有一座10层高的建筑叫福泰大厦，2012年建成，就是用木材建成的公寓楼，也是世界上最高的木质结构建筑。不过，这个纪录很快就要被打破。坐落在挪威卑尔根市的一栋高49米的14层居民楼，也是木材建的，预计2015年下半年就会完工。
美国一家著名的建筑公司研究认为，用木头为主要材料建造一幢125米高的摩天大楼，在技术上完全可行，木头之外只要辅以高强度的水泥连接即可。经测算，这种建筑的能耗和温室气体排放量(碳足迹)只是钢筋混凝土建筑的25%~40%。
摩天大楼越来越垂青木材，说怪也不怪，我们姑且称这样的大楼为“摩天木楼”吧。2014年3月，美国农业部联合一家木材加工设备公司宣布，将投资200万美元(约1200万人民币)重奖探索让“摩天木楼”“长命百岁”的方法，为未来建造“摩天木楼”奠定理论基础。
重赏之下必有奇才。英国剑桥大学的植物生物化学家鲍尔·杜普利考虑，可以充分利用植物体内的抗压结构。细胞外层的刚性细胞壁为植物提供了足够的力学强度，但在分子层面上，这个力学强度来自何处，人们所知寥寥。我们虽然知道细胞壁里有纤维素、木质素和各种多糖分子，可这些成分如何组装起来才能获得最高的力学强度?杜普利觉得要找到“摩天木楼”长久于世的方法，切入点就在这里。
杜普利和建筑师以及高分子专家组成的团队已获得了一笔资助，开展细胞壁分子结构的研究。他们用不同树种的木材制成样品，放入磁共振仪内，测定样品内的化学分子结构。他们的短期目标是找到几种高分子物质，希望它们注入木材后能起到加固作用;长期目标是希望破译细胞壁分子结构的信息，从而进一步从遗传角度设计出强度更高、可用作建造“摩天木楼”的树木新品种。
除了建筑，木材在其他领域也大有用武之地。木材及其衍生品可用于生产生物燃料，也有人设想将其做成柔软又便宜的纸制品，替代硅制造电子产品——或许未来的电脑将拥有纸做的芯片。
看来，所谓传统与未来或许只有一步之遥。只要有21世纪的知识与眼光就不难推测，传统材料经过一番改造就能变身为未来的材料。
奇妙的材料之十
新型甲骨
——再续文明数千年
前文讲到，指甲盖大小的记忆玻璃就能够存储一座图书馆的信息，馈赠给几亿、几十亿年之后的人类。这可能使未来的社会失去一个职业——考古学家，但会催生另一个职业——“古电脑学家”。因为这些指甲盖大小的图书馆所藏的内容，必须借助我们现在使用的电脑才能阅读、观看。经过如此漫长的沧海桑田、宇宙变幻，很难说未来的人类还会保留现在这些阅读工具。连我们自己都懒得去阅读十年、二十年前的所谓电脑文件，更早早把那时的电脑扔到不知哪个垃圾场、哪个废品收购站，又不知回收用来做了什么，更何况上亿年之后的人呢?我们以今人之心，度亿年后人之腹，估计那时只有“古电脑学家”才能读懂“指甲盖”文献，以及大量保存的网络信息，普通百姓恐怕难有问津。
不过，有一种可能性似乎更大一些。那就是把信息写在石头上，恐怕将来还有普通人收藏、玩一玩、看一看。至少我们现在还有兴趣看一看5000年以前甚至史前人类刻在石头上的岩画——虽然粗犷、古朴，却是先民们给后人展示的当时的生产方式和生活场景。岩画遍及世界五大洲150多个国家和地区，包括中国。岩画中的各种图像构成了文字发明以前原始人类最早的“文献”。
文字发明以后，人类将信息记录在动物的骨头上，形成甲骨文。我们现在还能够读到距今3400—3100年前的甲骨文文献。现在使用的汉字由甲骨文演变而来，我们能够借助词典阅读甲骨文，甚至有人模仿甲骨文的用笔、结构等练习书法。
甲骨文是镌刻或写在龟甲和兽骨上的文字。有趣的是，龟甲和兽骨的化学成分和分子结构与人体骨骼相同，都是羟基磷灰石。人类的活动常与事故和疾病相伴。为修复人体因各种事故、病损(骨肿瘤切除)、脱落(牙齿)所造成的骨缺损，近20年来全世界有大量科学家投入研究，人工合成、修饰、加工羟基磷灰石，期望能解除伤者和患者的痛苦。由于天然骨的羟基磷灰石有特殊的纳米结构，科学家需要合成纳米级羟基磷灰石。在此基础上，才能仿生制备有活性的人工骨，帮助骨骼迅速恢复健康。
中国科学院上海硅酸盐研究所的科学家朱英杰教授，在用水热法探索廉价、快速、大量合成羟基磷灰石的研究中，偶然发现得到的纳米羟基磷灰石又细又长。当时朱英杰教授就产生一个大胆的设想，可否合成大量又长又细(保持纳米级直径)的纳米线，像纸浆纤维那样做成大片纸张呢?这样医生可以剪取任意大小、任意形状的纸片，任意叠加厚度，方便轻松地修补奇形怪状的骨缺损，也许可以就此解决羟基磷灰石临床应用的最后一道难题。
于是朱英杰教授调整配方，辅以超声波控制合成过程，终于合成长纳米线，制造出羟基磷灰石纸。这种纸又白又软，可折叠，不含任何有机成分，只是石头本质(羟基磷灰石嘛)，耐腐蚀，零污染。尤为奇特的是它不怕火，1000℃以上的火焰烧烤，上面书写的文字也不会消失——这不是人类书写的最好载体吗!
人类自从有书籍以来，记录在书籍里的文明有多少次葬身于火海!远的如秦始皇焚书坑儒(竹简写成的书)，近的如1932年日本帝国主义进犯上海，焚毁了商务印书馆当时号称东亚第一的图书馆，全部46万册藏书，以及价值连城的善本孤本图书从此绝迹人寰。用纸做成书来承载文明，实在太脆弱了。朱英杰教授希望自己不经意间发明的新书写载体，从此保全人类文明免于火灾，至少可用于需要永久保存的档案。
不过，这种羟基磷灰石纸与人体细胞的“关系”不太好，细胞不太愿意待在纸上繁衍生息，为主人连接骨头修复损伤。这让朱教授颇感沮丧。不过，他的成果已经令全世界为之轰动，在发明了与甲骨成分和结构相同的新型书写载体的成就面前，小小沮丧又何妨?
要给后世，比如3000年后的人类，留下今人辉煌的文明，恐怕还是把信息书写于现代甲骨——柔软、耐火、永远洁白的羟基磷灰石纸上更好，这样每一位普通人不用借助“古电脑”即可浏览、阅读、思考。
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