世纪之星黄金武士ii

諾獎得主Dan :材料科學和工程學方面面臨哪些挑戰?

發布時間:2018-08-13 16:27    來源:新浪科技
 

關鍵詞:諾獎得主Dan 材料科學 工程學方面 面臨 挑戰

摘要:8月10-12日,世界科技創新論壇在北京會議中心舉辦,包括Kip Thorne、Thomas J.Sargent、Michael Levitt、朱棣文在內的20余位諾貝爾獎獲得者,以及曹春曉、美國國家工程院院士陳剛等諸多中外頂級學者專家應邀出席,共同打造史無前例的中國最高級別智慧盛宴,探討全球科技創新成果、描繪未來中國科技創新藍圖。

  8月10-12日,世界科技創新論壇在北京會議中心舉辦,包括Kip Thorne、Thomas J.Sargent、Michael Levitt、朱棣文在內的20余位諾貝爾獎獲得者,以及曹春曉、美國國家工程院院士陳剛等諸多中外頂級學者專家應邀出席,共同打造史無前例的中國最高級別智慧盛宴,探討全球科技創新成果、描繪未來中國科技創新藍圖。

  我們需要新的材料才能滿足在航空、汽車、生物可降解方面的材料,在這些方面還沒有我們有的最優的材料,所以我們現在仍然在等待這些新材料的出現,而這是一個不斷演進的過程。同時有一些材料是等待著新的應用,比如CVD鉆石,鉆石是一個非常好的材料,是最好的熱傳導器,比銅是4倍,也是世界上最硬的材料,而且是透明的。它對很多的光譜都是透明的,與此同時它是非常好的一種材料。

  以下是演講全文:

  今天我要講一講材料科學和工程學方面的挑戰。如果你想要知道我們現在在材料科學和工程學方面需要什么,大家科技到英特網上去看一看,一些大的機構,他們想要去找什么。比如說我們可以去美國國防部的網站,問一下他們現在需要什么,他們會告訴你什么呢?他們想開發一個結構性的多功能的材料,想要開發能源材料和發電材料,還希望能有電子材料和光子材料,功能的有機的材料,來自于生物以及生物啟發的這些材料。那么這些是他們希望在未來幾年能開發出來的材料。從今天我的發言中,我會告訴大家,我們在材料科學方面取得了什么樣的進展。

  首先我們看看現在要花多少時間傳遞信息呢?以及花多少時間傳輸人和商品,我剛剛從以色列來,從香港轉機,花很久的時間才到了北京。但如果給我一條微信信息發到我的手機上,可能只有一秒的時間。為什么這樣呢?60年前和今天,1950年代的時候,超過60年前的現在,我們要傳輸物品、商品,從北京到巴黎,可能需要一天的時間通過飛機,而現在還是一天,沒有發生什么變化。但如果你的信息想要傳遞,比如你寄給巴黎的一封信最起碼一周的時間吧當時,而現在只有一秒鐘的時間,為什么?為什么我們現在可以這么快的傳輸信息,而商品的傳遞方面幾乎一百年沒有什么速度上的變化,這就和物料科學有關,以及眼界和革命,或者說變革有關。我們說結構性的金屬,它是一個演進,而硅的技術是一個變革和改革,這個是帶來很大的改變。

  我講講材料方面的應用,我們需要新的材料才能滿足在航空、汽車、生物可降解方面的材料,在這些方面還沒有我們有的最優的材料,所以我們現在仍然在等待這些新材料的出現,而這是一個不斷演進的過程。

  同時有一些材料是等待著新的應用,比如CVD鉆石,鉆石是一個非常好的材料,是最好的熱傳導器,比銅是4倍,也是世界上最硬的材料,而且是透明的。它對很多的光譜都是透明的,與此同時它是非常好的一種材料。幾年之前我們只有天然的鉆石,如果我們有大量的鉆石的話,那么這是一個非常了不起的世界。真的嗎?現在我們有了技術可以生產任何規模任何大小的鉆石,通過CVD生產鉆石。但你對此能真正利用,應用是非常少的。

  還有準周期性材料,這是我的研究,它仍然是有很多很有意思的特點,在尋找這些新的應用。當然現在鉆石和這些材料都有應用,但還不多。我們現在來看看這一方面的應用,比如民航,這是1950年代時候的一個飛機,差不多是70年前的一個飛機了,當時是世界上最好的機型,可以跨越大西洋的飛機,而現在我們有787的波音飛機,它做的事情和七十年前一樣但速度會更快,但沒有更快。當然波音可以做很多其它的功能,但和當時的機型沒有太多速度的變化。

  其實60年以來,我們可以看到飛機的引擎在得到改善,那么一方面更加安全,比如每一百萬飛行的事故率改善了90%,所以現在是非常非常安全的,比開車還要安全。另外相對于重量的推動力改善了350%,現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,現在變的更好了,可以看到飛機也變的更好了。飛機現在可以飛的很遠很廣,可以飛人飛商品,比如你在中國從任何一個城市可以飛到任何一個城市,每個人都可以飛,而且價格是比較合理的,每個人都可以做到這一點,所以飛機的通行現在是合理的價格,很多人都可以飛,很多的飛機公司都在競爭獲得客戶。

  問題在哪里?首先我們的飛機速度還不夠快,特別是和以前相比沒有快太多,而且門對門的時間,其實和60年前是差不多的,當然如果你包括比如說安檢時間的話,這個時間就會更長。比如你要在起飛前2~3小時就到機場,但在以前可能你并不需要前3個小時就到達機場,所以門對門的時間并沒有太多的改善,要解決這個問題需要更好的高溫材料,可以進入到飛機的引擎當中非常熱的部分,這樣的話飛機可以飛得更快。

  這種材料演進的機會是不錯的,也許我們可以最終通過演進到達那邊,但是這個革命的可能性是非常少的,我們預計在這樣一個材料科學方面不會出現革命性的變革。我們看一下對于新材料的開發、運用與現有的應用是非常長的,而且需要花很多的精力,找到正確的合金應用是第一步。找到這個材料只是剛剛開始而已,整個流程可能會花很長時間,而處理一個新的合金是下一步,而且這需要很多的努力,包括智商上和財力上,這樣的流程可能會花很多年的時間。

  比如說,鈦化鋁是鈦和鋁的化合物,三鋁化鈦和鋁化鈦,這可能是有用的材料,我也做了很多年前的博士研究,是七十年代的時候。我當時就研究了這些材料變形的過程,我們去了解這些材料,也知道它們的組成。

  我們從50年代的時候就知道材料的組成了,我們知道鋁化鈦加上其它一些材料,我們就可以組成一個比較好的材料,我們從50年代的時候就知道了這一點。但一個引擎公司拿了一個新材料來開發這種材料,大家想想發生了什么,要把它放到飛機的引擎當中。過了幾年之后,整整過了40年的工藝流程,我們找這個材料很快就找到了,但是它的處理流程、工藝流程花了40年,而這家公司是一家非常強的公司,非常有能力的公司。那么這樣一個產品開發的過程,就是我所說的汽油車到電車、動車。特斯拉已經走到前沿,日本、韓國、德國也在開發這些車,但到現在為止我們還沒有一個完美的電池,為什么是電池呢?這是福特的T型汽車。

  這個車能做的事情現在的車還做不了呢?因為當時路不好,所以福特車在車況非常不好的時候設計的,這個車底盤非常高,路況很不好的時候可以開。但現在的車,路況很好,所以我們看特斯拉的車底盤是非常低的,這些車在以前的路上是開不了的,只有T型車才能開。電池這一塊,我就跳過了,直接講一講生物可降解的假體植入物。

  我們都知道有一些人有心臟的問題,他其實有很好的解決方案,不需要做開胸手術,才能解決血管栓塞的問題,可以放一個假體進去,飛機短的時間病人就能醒過來,沒有什么傷害。把這個假體放進去,撐開,血管栓塞就解決了。但血管會收縮、擴張,每一次心動的時候都會這樣,但支架不會這樣做,所以它可能會有一個慢性的問題,如果你有一個生物可降解的假體就可以解決這個問題。比如血管栓塞解決之后,這個支架就會消失,會降解,不再會有任何的參與,所以不會有慢性病留下來。很多情況下這種假體最好是生物可講解的。

  現在使用最好的材料就是不銹鋼,但這種材料現在卻不是生物可降解的,如果使用生物可降解材料的話,要么是使用鎂鋁,為什么鎂鋁不好用呢?因為溶解的速度不夠,聚合物不好用是因為強度不夠,所以現在沒有什么好的解決方案,在支架上仍然尋找更好的材質,讓它實現生物講解性。

  材料方面有什么趨勢呢?前面我談到鉆石,也談到CVD鉆石,今天因為時間有限沒有辦法給大家介紹俄羅斯的科學家大衛的研究成果,他可以說在科學家引起了一場風暴,他在50年代發明了,有一天說可以從氣態狀態中生成鉆石,其實說的沒錯,現在可以通過CVD可以來生產鉆石,任何的量都可以生產出來。

  下面我們來談一談準周期材料,準周期材料有著特殊的特性,比如在導電性、絕緣絕熱方面,低溫下面,它的導電性會降低,它有很多我們現在具體的材料中的應用,下面我想給大家講一個我想要給大家聊一聊的話題。

  青銅時代,大概公元前1200年,人類就發現了鐵,開始使用鐵。但是鐵和當時的這種青銅相比,強度不夠,所以幾千年以來即使鐵發明出來了,人們也更愿意使用青銅。直到公元前8世紀發現在鐵里面加入少量碳,就會形成鋼,鋼這種材料是非常非常好的。直到今天我們在建筑領域大量使用鋼材,過去很多汽車也是使用這種鋼材的,現在很多都是使用塑料材質了,但在建筑行業在工廠里面,使用很多的材質就是鋼。可以說鋼是現在使用的非常重要的一種金屬,還有是合金。一開始鋁發明出來的成本比制作黃金還要高,但后來找到一種辦法可以從礦石中制作合金,成本大降低,所以鋁大幅度應用。

  后來NASA想要發射一個航天器向太陽進軍,因為太陽溫度非常非常高,靠太陽越近溫度越高,如果今天走到室外的話發現溫度很熱,如果離太陽越近的話這個溫度會越來越高。NASA這個航天器究竟能離太陽多近呢?最高的溫度是1370度,這個問題已經非常高了。但如果這樣的溫度下如何保證航天器受到保護不受影響呢?這里面需要使用碳這個合成物,外面有石墨烯的板,這個是目前使用最好的材料,可以絕熱,可以保持內部溫度30度左右,保證航天器內部正常運作,而外面涂成白色來反射輻射而不要吸收輻射。

  航天業的革命是由萊特兄弟發起的,1903年萊特兄弟試飛第一架飛機,當時的引擎就是使用鋁,生產鋁的這家公司直到今天仍然非常成功。里面加入80%的銅,但他們當時不知道為什么這么好,當然我們現在知道了。當時知道這種鋁銅的合金特別適合做飛機的引擎,現在很多汽車的引擎也是使用這種合金。

  現在可以使用金屬的3D打印了,我們叫金屬的增材制造,但是增材制造現在所生產的這個產品還不夠好,速度還不夠快,成本還不夠低。但是我們已經看到了這樣一個趨勢,我們現在正在經歷這種漸漸的變革,我們已經看到了這個隧道盡頭的曙光。

  另外一種加工工藝是叫擠出工藝,通過這種擠出工藝你可以生產出更加精細的這種金屬材料,讓它獲得更加優異的性能。

  最后,在今天的技術中,最大的一個限制就是材料技術方面的的缺乏,我們祈禱著在材料學中也能起到所謂的革命,而不是漸進式的緩慢發展。謝謝大家。

(責編:)

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