由于新型化學中的自愈型智能材料對能量存儲，醫(yī)療及其他領域產生了巨大的影響，工程材料科學界在21世紀正進行著一場革命。美國政府材料基因組計劃的重點研究是先進材料在清潔能源，國家安全和人類福祉方面的應用。新的工具讓我們可以通過原子級別的操作來開發(fā)出新的材料從而創(chuàng)造出無限的可能。碳纖維復合材料可以用來制造更輕便更省油的車輛。合金正使航空電子設備發(fā)生革命性的變化。生物材料正改變著我們修復和替換壞掉的身體器官的方式。納米材料正為量子計算機的研發(fā)貢獻著巨大的力量。

    下面是Carbeck描繪出的材料科學方面目前排名前五的重大突破和他預言的接下來三年里將會出現(xiàn)的排名前五的重大突破。

    最近排名前五的材料科學重大突破：2013到2015年

    材料基因組計劃（MGI）預言了成千上萬的新型材料

    和人類基因組計劃記錄了人體中的所有基因然后用機器學習來作出預測一樣，材料基因組計劃也打算把用元素周期表上的元素的上億種不同的組合記錄下來。為什么創(chuàng)造出這么一個巨大的數(shù)據(jù)庫之后，科學家們就可以用人工智能來預測新材料組合的性質。Carbeck解釋說，“在過去的幾年里，我們已經記錄了已知的10000種材料，并且在高性能計算機及量子機器的幫助下，開始預測目前并還不存在的新材料的性質進行預測。”

    石墨烯推動了新電子設備，傳感器和復合材料的誕生

    石墨烯是鉆石和石墨的二維展開形式，它的潛在影響正在發(fā)生。這將是我們構建出傳感和計算無處不在的世界的關鍵因素。石墨烯在重量上比鋼筋輕兩百倍。在過去的十年里我們看到它已經成為許多高性能晶體管，傳感器和新復合材料的選擇之一。

    可充電的金屬-空氣電池使大規(guī)模的電能存儲的成本低并且可靠

    新型的電池正在出現(xiàn)。它們就是像鋁-空氣，鋅-空氣和鋰-空氣這樣的金屬-空氣電池。由于不需要化學氧化劑所帶來的額外的重量和體積，它們變得更加小巧而輕便。它們有潛力為全世界無法獲得可靠電源的12億人供電。“網格化的金屬-空氣電池有可能超越傳統(tǒng)集中式的能源生產和傳輸，尤其是在非洲這樣的地區(qū)，”Carbeck說。

    可移植的超薄硅電路使電子設備能夠隨身攜帶甚至植入體內

    我們正在研究能夠把高性能的電子設備從硅片上轉移到能夠植入人體內的物質中的技術。這將改變我們與電子設備的交互方式——我們記錄日常行為，監(jiān)測健康狀況，通訊以及連接到云端的方式。

    柔軟的機器人開始改變人機接口

    材料科學讓我們能夠用完全不同的材料制造出表現(xiàn)方式完全不同的機器人。例如，想象一下，不像一個剛性的金屬假肢那樣，一個柔軟的機器人假肢在通上電之后就像真正的肌肉一樣活動。“這種柔軟的材料將會創(chuàng)造出一種全新的人類與機器人身體的交互方式，由電力驅動，這讓我們能夠設計出像肌肉一樣的推拉系統(tǒng)。”

    那么不久的將來會發(fā)生什么呢？

    預期中材料科學領域排名前五的重大突破：2016到2018年

    超材料將大行其道

    不斷匯聚的超級計算，模型軟件以及微米級的添加制造法加上其他的制造技術將會讓我們提高預測的能力，預測出那些自然界中還不存在的具有不可思議性質的工程和建筑的超材料（例如，人們穿上就能隱身的隱身斗篷）。

    鈣鈦礦型太陽能電池將擊敗硅太陽能電池

    鈣鈦礦是一種剛好能夠讓太陽能電池變得高效而廉價的神奇材料。五年前鈣鈦礦的太陽能電性質發(fā)現(xiàn)的時候，其能量轉化率大約為4%。如今已經達到了20%，并且有望在以后的幾年里提高到30%。鈣鈦礦比現(xiàn)在用來生產硅太陽能電池的材料便宜了100到1000倍。到2017年我們應該就能看到大量的使用，把我們的生活進一步推向廣泛使用太陽能的未來。

    人工智能和材料基因組計劃將會讓新材料的商業(yè)化以幾何速度增長

    隨著云計算和機器學習讓科學家們得以找到新的材料組合和材料性質，已經開發(fā)了幾年的材料基因組計劃也將進入全面發(fā)展階段。由于人工智能的應用，大量新的商業(yè)化產品有望出現(xiàn)。你將能夠說，“我想為我的膝蓋造出下一代的替代品，”Carbeck說，并且人工智能將會知道所有可能獲得的材料從而幫助我們選出最安全可靠的那些材料。

    碳納米管和石墨烯將會使摩爾定律大大延長

    要想摩爾定律繼續(xù)適用，我們需要為計算機找出從根本上完全不同的組織材料。石墨烯和碳納米管就是最有希望的解決方案。這些材料的性質讓我們能夠繼續(xù)提高計算的性價比。我們甚至可以通過材料的預編程和自組裝在傳統(tǒng)技術生產的芯片上加上石墨烯的功能。

    可回收的碳纖維復合材料

     盡管高性能的熱固性和熱塑性復合材料使得波音客機以及寶馬i8有了新的突破，但是一旦加熱凝固之后它們就再也不可逆也不可改變了，不像鋁和鋼筋那樣，還能融化重造。但最近的突破能夠改變這一點，提高它們的功用。Carbeck解釋說，“在化學方面已經有了真正的突破讓我們能夠進行化學反應的逆過程來讓可塑的復合材料解聚成液體狀態(tài)從而重利用。”

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責任編輯：王元

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