9 项可能改变制造业的重大发现

科学家们在不断发明具有高度特殊性的先进材料，其性能优于现有材料，并使产品设计更具创新性。

生产制造企业更倾向于使用可靠的材料来生产产品——这些材料已经过验证，其化学和机械性能也经过了充分的研究。然而，产品性能和功能往往可以通过新材料得到改善，这些新材料一旦经过测试和批准，就可以提供非常特定的工程特性，从而增强产品性能，并创造出以前没有的产品设计选项。以下是一些可能在不久的将来改变制造业的创新材料。

1. 氟化钛磷酸盐

莫斯科 Skoltech 能源科技中心的研究人员创造了一种新型正极材料 ——氟化钛磷酸盐材料。其强大的电化学电位和在高充放电电流下的稳定性 优于价格昂贵且供应不足的锂、钴等标准正极材料。

2. 纤维素纳米纤维

纤维截面的 SEM 图像，显示了排列的纳米纤维。图片提供：KTH

瑞典皇家理工学院利用木材中的纤维素纳米纤维开发出了一种超高强度、可生物降解的材料。该材料独特的纳米结构提供了 86 吉帕的抗拉刚度 和 1.57 吉帕的抗拉强度——比蜘蛛丝硬 8 倍，被认为是最强的生物材料， 按同样单位重量计算，其强度比钢还要大。这种轻质材料可以作为塑料的环保替代品。

3. 自愈凝胶

是一种由氨基丙基甲基丙烯酰胺(APMA)聚合物、葡萄糖、葡萄糖氧化酶和叶绿体制成的凝胶材料，不断地与空气中的二氧化碳发生反应，膨胀并随时间变得更强。它是第一个存在于生物体之外的固碳材料。麻省理工学院化学工程学教授、首席研究员 Michael Strano 表示：“制造一种能够获取我们周围丰富碳元素的材料，是材料科学的一个重大机遇。”

4. 铂金合金

桑迪亚国家实验室的研究人员创造了一种金铂合金，其耐磨性是高强度钢的 100 倍，即使在高温下也是如此。材料优异的热稳定性是通过改变晶界能来实现的。在应力作用下，合金会产生自己的类金刚石碳，可以起到润滑剂的作用。

5. 复合金属泡沫

复合金属泡沫(CMF)由中空的金属球组成，金属球由钢或钛材料制成， 并嵌入金属基质中，金属基质通常由钢或铝制成。测试表明，所谓的“钢-钢”CMF，因为球体和基体都是由钢制成的，所以比实心钢板耐火得多。此外，钢-钢 CMF 面板的重量仅为实心钢板的三分之一。因此，在运输和储存过程中保护热敏材料（如爆炸物）方面，CMFs 被认为是的一种很有前途的材料。

6.蜘蛛丝

桑迪亚国家实验室的研究人员 Michael Chandross（左）和 Nic Argibay展示了用于预测其铂金合金前所未有的耐磨性的计算机模拟，以及用于演示的环境摩擦计。图片提供：兰迪蒙托亚，SNL

蜘蛛丝已是公认的世界上最坚固的材料之一。现在科学家又发现了另一个独特的力学特征：空气中的湿度达到一定程度后，蜘蛛丝纤维会突然收缩扭曲。这个过程——被称为超收缩——施加足够的扭转力，从而可能与其他材料竞争用作致动器或其他类型的控制装置。

7.虾壳丝

受昆虫外骨骼的启发，哈佛大学韦斯生物启发工程研究所的研究人员发明了虾壳丝（shrilk）材料，一种可生物降解的“塑料”，由壳聚糖（虾壳中的一种成分）和一种名为丝素蛋白的丝蛋白组成。虾壳丝像铝一样结实，重量却比铝轻 50%。它的生物相容性、柔韧性和强度使其成为植入性医疗设备和组织工程的上佳材料。

8.碳素混凝土

研究人员正在研究如何用碳纤维加固混凝土，以增强强度和耐久性。碳的一大优点是不可氧化。与钢骨混凝土会生锈并降低结构强度不同，这一方法不需要厚混凝土层来保护碳。在混凝土中加入碳，其承载能力比传统的钢 骨混凝土提高了五到六倍，重量也比传统的钢骨混凝土轻四倍，使用寿命也明显延长。

9.气凝胶

这种合成多孔超轻材料 99.8%都是空的。超临界干燥液体凝胶的最终产 物，如氧化铝，氧化铬，氧化锡或碳，这种材料的强度足以承受其自身重量的 20000 倍。气凝胶是开孔的（气凝胶中的气体不会被困在固体口袋中），并且孔隙的直径范围小于 1-100 纳米。极低的导热系数也使其成为一种高效的保温材料。

未来材料

虾壳丝（Shrilk）是由壳聚糖和丝素蛋白衍生而来的，壳聚糖存在于虾壳中，丝素蛋白也称为丝蛋白，其模仿昆虫外骨骼的微结构，可迅速生物降解为富含氮的肥料。图片提供：哈佛大学韦斯生物启发工程研究所

科学家们继续致力于制造出比传统材料更坚固、更轻、功能更多更好的材料。随着纳米技术的进步，新材料和材料组合似乎层出不穷。目前的研发包括研究具有独特性质的稀土元素。例如，钕磁铁可以储存大量的、超乎想象的磁能，使其成为风力涡轮机转动转子的理想材料。另一种稀土元素，铈，当其与铝结合时，其化合物的耐高温性能提升了。与大多数铝合金相比，铈铝合金具有更好的腐蚀性能。

随着工业 4.0、物联网和纳米技术占据中心地位，工程师、科学家和其他研究人员将继续挑战材料科学的极限。材料研究领域的进步不仅会改善我们能够制造的产品类型，还会为我们带来更多机会，以创造一个更健康、更可持续发展的世界的机会。