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诺奖得主Dan :材料科学和工程学方面面临哪些挑战?

中国云顶娱乐棋牌游戏联合会机经网  发布时间:2018-08-13 16:27:17  来源:新浪科技


8月10-12日,世界科技创新论坛在北京会议中心举办,包括Kip Thorne、Thomas J.Sargent、Michael Levitt、朱棣文在内的20余位诺贝尔奖获得者,以及曹春晓、美国国家工程院院士陈刚等诸多中外顶级学者专家应邀出席,共同打造史无前例的中国最高级别智慧盛宴,探讨全球科技创新成果、描绘未来中国科技创新蓝图。

  8月10-12日,世界科技创新论坛在北京会议中心举办,包括Kip Thorne、Thomas J.Sargent、Michael Levitt、朱棣文在内的20余位诺贝尔奖获得者,以及曹春晓、美国国家工程院院士陈刚等诸多中外顶级学者专家应邀出席,共同打造史无前例的中国最高级别智慧盛宴,探讨全球科技创新成果、描绘未来中国科技创新蓝图。

  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,比如CVD钻石,钻石是一个非常好的材料,是最好的热传导器,比铜是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。

  以下是演讲全文:

  今天我要讲一讲材料科学和工程学方面的挑战。如果你想要知道我们现在在材料科学和工程学方面需要什么,大家科技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,来自于生物以及生物启发的这些材料。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呢?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。但如果给我一条微信信息发到我的手机上,可能只有一秒的时间。为什么这样呢?60年前和今天,1950年代的时候,超过60年前的现在,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,比如你寄给巴黎的一封信最起码一周的时间吧当时,而现在只有一秒钟的时间,为什么?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,这就和物料科学有关,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,这个是带来很大的改变。

  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,比如CVD钻石,钻石是一个非常好的材料,是最好的热传导器,比铜是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。真的吗?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。但你对此能真正利用,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但速度会更快,但没有更快。当然波音可以做很多其它的功能,但和当时的机型没有太多速度的变化。

  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,当然如果你包括比如说安检时间的话,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到达那边,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,包括智商上和财力上,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,是七十年代的时候。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。过了几年之后,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呢?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。但现在的车,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物。

  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,才能解决血管栓塞的问题,可以放一个假体进去,飞机短的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讲解的。

  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,要么是使用镁铝,为什么镁铝不好用呢?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,让它实现生物讲解性。

  材料方面有什么趋势呢?前面我谈到钻石,也谈到CVD钻石,今天因为时间有限没有办法给大家介绍俄罗斯的科学家大卫的研究成果,他可以说在科学家引起了一场风暴,他在50年代发明了,有一天说可以从气态状态中生成钻石,其实说的没错,现在可以通过CVD可以来生产钻石,任何的量都可以生产出来。

  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,低温下面,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,这个问题已经非常高了。但如果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。

  现在可以使用金属的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,我们现在正在经历这种渐渐的变革,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这种金属材料,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的缺乏,我们祈祷着在材料学中也能起到所谓的革命,而不是渐进式的缓慢发展。谢谢大家。

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责任编辑:机经网编辑部 feng

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