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诺奖得主:今天技术的最大限制,主要是材料技术的限制!
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发表时间:2018-08-28 16:27来源:金戈新材官网网站

8月11日,2011年诺贝尔化学奖获得者、以色列工学院教授Dan Shechtman出席世界科技创新论坛,并发表主题演讲。他坦言到:“在今天的技术中,最大的一个限制就是材料技术方面的缺乏,我们祈祷着在材料学中也能发生所谓的革命,而不是渐进式的缓慢发展。我们需要新的材料才能满足在航空、汽车、生物可降解方面的材料,在这些方面还没有我们有的最优的材料,所以我们现在仍然在等待这些新材料的出现,而这是一个不断演进的过程。同时有一些材料是等待着新的应用。”现摘录这位教授的演讲精华,以飨读者。

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▲2011年诺贝尔化学奖获得者

以色列工学院教授Dan Shechtman



  今天我要讲一讲材料科学和工程学方面面临的挑战。如果你想要知道我们现在材料科学和工程学方面需要什么,大家可以到英特网上去看一看,一些大的机构,他们想要去找什么。比如说我们可以去美国国防部的网站,问一下他们现在需要什么,他们会告诉你什么呢?他们想开发一个结构性的多功能的材料,想要开发能源材料和发电材料,还希望能有电子材料和光子材料,功能的有机的材料。那么这些是他们希望在未来几年能开发出来的材料。从今天我的发言中,我会告诉大家,我们在材料科学方面取得了什么样的进展。


  首先我们看看现在要花多少时间传递信息,以及花多少时间传输人和商品。我刚刚从以色列来,从香港转机,花很久的时间才到了北京。但如果发一条微信信息到我的手机上,可能只有一秒的时间。为什么这样呢?60年前和今天相比,1950年代的时候,我们要传输物品、商品,从北京到巴黎,可能需要一天的时间通过飞机,而现在还是一天,没有发生什么变化。但如果你的信息想要传递,60年前你寄给巴黎一封信,最起码需要一周的时间,而现在只有一秒钟的时间。


  为什么我们现在可以这么快的传输信息,而商品的传递方面几乎一百年没有什么速度上的变化,这就和材料科学有关,以及眼界和革命,或者说变革有关。我们说结构性的金属,它是一个演进,而硅的技术是一个变革和改革,这个会带来很大的改变。

  我讲讲材料方面的应用,我们需要新的材料才能满足航空、汽车、生物可降解方面的材料,在这些方面还没有最优的材料,所以我们现在仍然在等待这些新材料的出现,而这是一个不断演进的过程。


  同时有一些材料是等待着新的应用,比如CVD钻石,钻石是一个非常好的材料,是最好的热传导器,是铜的4倍,也是世界上最硬的材料,而且是透明的。它对很多的光谱都是透明的,与此同时它是非常好的一种材料。几年之前我们只有天然的钻石,如果我们有大量的钻石的话,那么这是一个非常了不起的世界。现在我们有了技术可以生产任何规模任何大小的钻石,通过CVD生产钻石,但在这方面的真正应用是非常少的。

  还有准周期性材料,这是我的研究,它仍然是有很多很有意思的特点,在寻找这些新的应用。当然现在钻石和这些材料都有应用,但还不多。我们现在来看看这一方面的应用,比如民航,这是1950年代时候的一个飞机,差不多是70年前的一个飞机了,当时是世界上最好的机型,可以跨越大西洋的飞机,而现在我们有787的波音飞机,它做的事情和七十年前一样,当然波音可以做很多其它的功能,但没有太多速度上的变化。

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飞机

  其实60年以来,我们可以看到飞机的引擎在得到改善,那么一方面更加安全,比如每一百万飞行的事故率改善了90%,所以现在是非常安全的,比开车还要安全。另外相对于重量的推动力改善了350%,现在的引擎是非常好的。另外燃油效率也得到45%的改善,引擎的噪音降了35db,现在变的更好了,可以看到飞机也变的更好了。

  飞机现在可以飞的很远很广,可以飞人飞商品,比如你在中国从任何一个城市可以飞到任何一个城市,每个人都可以飞,而且价格是比较合理的,每个人都可以做到这一点,所以飞机的通行现在是合理的价格,很多人都可以飞,很多的飞机公司都在竞争获得客户。


  问题在哪里?首先我们的飞机速度还不够快,特别是和以前相比没有快太多,而且门对门的时间,其实和60年前是差不多的,当然如果包括安检时间的话,这个时间就会更长。比如你要在起飞前2~3小时就到机场,但在以前可能你并不需要提前3个小时就到达机场,所以门对门的时间并没有太多的改善,要解决这个问题需要更好的高温材料,可以进入到飞机的引擎当中非常热的部分,这样的话飞机可以飞得更快。

  这种材料演进的机会是不错的,也许我们可以最终通过演进可以实现,但是这个革命的可能性是非常少的,我们预计在这样一个材料科学方面不会出现革命性的变革。我们看一下对于新材料的开发、运用与现有的应用是非常长的,而且需要花很多的精力,找到正确的合金应用是第一步。找到这个材料只是刚刚开始而已,整个流程可能会花很长时间,而处理一个新的合金是下一步,而且这需要很多的努力,包括智商和财力,这样的流程可能会花很多年的时间。


  比如说,钛化铝是钛和铝的化合物,三铝化钛和铝化钛,这可能是有用的材料,我也做了很多年前的博士研究,在七十年代的时候。我当时就研究了这些材料变形的过程,我们去了解这些材料,也知道它们的组成。

  我们从50年代的时候就知道材料的组成了,我们知道铝化钛加上其它一些材料,我们就可以组成一个比较好的材料,我们从50年代的时候就知道了这一点。但一个引擎公司拿了一个新材料来开发这种材料,大家想想发生了什么,要把它放到飞机的引擎当中,整整过了40年的工艺流程。

  我们找这个材料很快就找到了,但是它的处理流程、工艺流程花了40年,而这家公司是一家非常强的公司,非常有能力的公司。那么这样一个产品开发的过程,就是我所说的汽油车到电车、动车。特斯拉已经走到前沿,日本、韩国、德国也在开发这些车,但到现在为止我们还没有一个完美的电池,为什么是电池呢?这是福特的T型汽车。


  这个车能做的事情现在的车还做不了,因为当时路不好,所以福特车在车况非常不好的时候设计的,这个车底盘非常高,路况很不好的时候可以开。但现在的路况很好,所以我们看特斯拉的车底盘是非常低的,这些车在以前的路上是开不了的,只有T型车才能开。电池这一块,我就跳过了,直接讲一讲生物可降解的假体植入。

  我们都知道有一些人有心脏的问题,他其实有很好的解决方案,不需要做开胸手术,就能解决血管栓塞的问题,可以放一个假体进去,短时间病人就能醒过来,没有什么伤害。把这个假体放进去,撑开,血管栓塞就解决了。但血管会收缩、扩张,每一次心动的时候都会这样,但支架不会这样做,所以它可能会有一个慢性的问题,如果你有一个生物可降解的假体就可以解决这个问题。比如血管栓塞解决之后,这个支架就会消失,会降解,不再会有任何的参与,所以不会有慢性病留下来。很多情况下这种假体最好是生物可降解的。

  现在使用最好的材料就是不锈钢,但这种材料现在却不是生物可降解的,如果使用生物可降解材料的话,除非是使用镁铝,但是镁铝不好用,因为溶解的速度不够,聚合物不好用是因为强度不够,所以现在没有什么好的解决方案,在支架上仍然寻找更好的材质,让它实现生物降解性。

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生物降解

  下面我们来谈一谈准周期材料,准周期材料有着特殊的特性,比如在导电性、绝缘绝热方面,低温下它的导电性会降低,它有很多我们现在具体的材料中的应用,下面我想给大家讲一个我想要给大家聊一聊的话题。

  青铜时代,大概公元前1200年,人类就发现了铁,开始使用铁。但是铁和当时的这种青铜相比,强度不够,所以几千年以来即使铁发明出来了,人们也更愿意使用青铜。直到公元前8世纪发现在铁里面加入少量碳,就会形成钢,钢这种材料是非常好的。

  直到今天我们在建筑领域大量使用钢材,过去很多汽车也是使用这种钢材的,现在很多都是使用塑料材质了,但在建筑行业、在工厂里面,使用很多的材质就是钢。可以说钢是现在使用的非常重要的一种金属,还有是合金。一开始铝发明出来的成本比制作黄金还要高,但后来找到一种办法可以从矿石中制作合金,成本大降低,所以铝大幅度应用。


  后来NASA想要发射一个航天器向太阳进军,因为太阳温度非常非常高,靠太阳越近温度越高,如果今天走到室外的话发现温度很热,如果离太阳越近的话这个温度会越来越高。NASA这个航天器究竟能离太阳多近呢?最高的温度是1370度,这个温度已经非常高了。但这样的温度下如何保证航天器受到保护不受影响呢?这里面需要使用碳这个合成物,外面有石墨烯的板,这个是目前使用最好的材料,可以绝热,可以保持内部温度30度左右,保证航天器内部正常运作,而外面涂成白色来反射辐射而不要吸收辐射。

  航天业的革命是由莱特兄弟发起的,1903年莱特兄弟试飞第一架飞机,当时的引擎就是使用铝,生产铝的这家公司直到今天仍然非常成功。里面加入80%的铜,但他们当时不知道为什么这么好,当然我们现在知道了。当时知道这种铝铜的合金特别适合做飞机的引擎,现在很多汽车的引擎也是使用这种合金。

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3D打印

  现在可以使用金属3D打印了,我们叫金属的增材制造,但是增材制造现在所生产的这个产品还不够好,速度还不够快,成本还不够低。但是我们已经看到了这样一个趋势,我们现在渐渐的正在经历这种变革,我们已经看到了这个隧道尽头的曙光。

  另外一种加工工艺是叫挤出工艺,通过这种挤出工艺你可以生产出更加精细的金属材料,让它获得更加优异的性能。

  最后,在今天的技术中,最大的一个限制就是材料技术方面的缺乏,我们祈祷着在材料学中也能发生所谓的革命,而不是渐进式的缓慢发展。谢谢大家。

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