在我們的應(yīng)用科學(xué)中有一門(mén)學(xué)科叫做材料科學(xué)，材料科學(xué)是研究材料的組織結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)流程和使用效能以及它們之間的相互關(guān)系的學(xué)科，它是集物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)等于一體的科學(xué)。與我們的生活息息相關(guān)，密不可分。比如下面的最強(qiáng)膠帶。

今天我們來(lái)一起盤(pán)點(diǎn)一下，材料科學(xué)創(chuàng)造的這些奇特的材料，探究一下會(huì)給我們的未來(lái)帶來(lái)什么變化。

沒(méi)有最輕只有更輕

2011年，美國(guó)科學(xué)家合作制造了一種鎳構(gòu)成的氣凝膠，密度為每立方厘米0.9毫克，是當(dāng)時(shí)最輕的固體材料。把這種材料放在蒲公英花朵上，蒲公英茸毛幾乎沒(méi)變形。氣凝膠有一個(gè)外號(hào)叫做 “凝固的煙”

氣凝膠

2013年，浙江大學(xué)的科學(xué)家們研制出了一種超輕材料，這種被稱為“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度僅為每立方厘米0.16毫克，是空氣密度的六分之一，也是迄今為止世界上最輕的固體材料。

這種材料可以輕松放置在麥穗的絨毛上

據(jù)介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對(duì)有機(jī)溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報(bào)道的吸油力最高的材料?，F(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是250倍左右，最高可達(dá)900倍，而且只吸油不吸水。“大胃王”吃有機(jī)物的速度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機(jī)物。這讓人想到用它來(lái)處理海上的漏油，“可以把它們?nèi)鲈诤Ｃ嫔?，就能把漏油迅速地吸收進(jìn)來(lái)，因?yàn)橛袕椥?，吸的油能夠被壓出?lái)回收利用，‘碳海綿’也可以重新使用。

來(lái)場(chǎng)硬碰硬的！

說(shuō)到最堅(jiān)硬的物質(zhì)，很多人會(huì)想到金剛石，但是人類早就已經(jīng)造出比鉆石硬度高很多倍的物體-魯珀特之淚。然而硬度一直也是人類對(duì)材料的極致追求的一個(gè)方向。

魯珀特之淚

目前人造的材料中硬度最大的是-碳炔。

1885 年，德國(guó)有機(jī)化學(xué)家阿道夫·馮-貝耶爾首次提出碳炔的概念，他將其描述為一種無(wú)限長(zhǎng)的碳碳單鍵和三鍵交替而成的碳鏈。但他也警告稱，由于其極不穩(wěn)定，因此很難制造出來(lái)。此前，美國(guó)科學(xué)家經(jīng)過(guò)理論計(jì)算指出，碳炔這種碳原子一維線性帶狀物的強(qiáng)度應(yīng)該比任何已知的材料更硬更堅(jiān)固，擁有巨大的抗張強(qiáng)度和硬度，硬度是鉆石的40倍、石墨烯的兩倍，因此，可用于制備超堅(jiān)固的設(shè)備。另外，它還擁有僅被拉伸 3%就能從導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成絕緣體的獨(dú)特屬性，因而在電子設(shè)備領(lǐng)域廣受關(guān)注。

由于碳炔的超高強(qiáng)度，非常適合用來(lái)制作宇宙中航行的飛船的外殼，但是科學(xué)家們估算，以現(xiàn)有的技術(shù)，要想制造出1克碳炔，其成本高達(dá)600萬(wàn)美元。假如一艘飛船上只使用1噸碳炔，那么制造一艘飛船單單使用的碳炔材料費(fèi)用就需要6萬(wàn)億美元了，2019年我國(guó)的GDP都只有不到14萬(wàn)億美元，這是任何一個(gè)國(guó)家都是無(wú)法承受的成本。

不算新鮮的“液態(tài)金屬"

說(shuō)到液態(tài)金屬，筆者想到了電影終結(jié)者中的那位。不過(guò)其實(shí)“液態(tài)金屬”并不是液態(tài)的。

目前所有的金屬材料都是將多種金屬原子混合在一起形成“合金（Alloy）”，才能增加材料強(qiáng)度，因此只要把合金加熱到融熔狀態(tài)（液態(tài)）之后再快速冷卻（例如每秒降溫 100°C 以上）就可以形成非晶合金。

由于原子排列和玻璃一樣都很混亂，所以稱為“金屬玻璃（Glassy metal）”，也有人稱為“液態(tài)金屬（Liquid metal）”或“塊狀金屬玻璃（Bulk Metallic Glass，BMG）”，其實(shí)就是指“非晶的金屬材料”而已，和玻璃一點(diǎn)關(guān)系都沒(méi)有，而由于液態(tài)的原子就是排列很混亂的，因此又有人把它稱為“液態(tài)金屬”，其實(shí)它在常溫下根本就是固體而不是液體。相比傳統(tǒng)金屬，液態(tài)金屬的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在性能、工藝兩方面：

非晶合金

1. 性能上，高硬度、高強(qiáng)度、耐高溫等性能，同時(shí)還具備非金屬材料（塑料、 玻璃等）的優(yōu)越性：如彈性、柔韌性、耐腐蝕等性能。

2. 工藝上，由于液態(tài)金屬以非晶態(tài)冷卻，收縮率非常小，可以通過(guò)注塑、壓鑄等工藝得到理想的形狀，也可以用噴涂、激光熔覆、堆焊等工藝制備表面涂層。

應(yīng)用領(lǐng)域：

航天：太陽(yáng)風(fēng)收集器、空間站防護(hù)板、衛(wèi)星的展開(kāi)機(jī)構(gòu)、衛(wèi)星反射鏡等。

軍工：坦克潛望鏡、穿甲彈。

消費(fèi)電子：手機(jī)卡托、手環(huán)表殼、折疊屏手機(jī)鉸鏈、光學(xué)鏡頭支架。

真是超級(jí)黑！

世界上最黑的東西是什么？

梵塔黑（Vantablack）它可以吸收99.96%的紫外線、可見(jiàn)光和紅外線，而傳統(tǒng)的黑色顏料、纖維等僅能吸收95%至98%的光線。在其中一座雕像面部覆蓋梵塔黑，從正面看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)人物面部細(xì)節(jié)全都消失了。

梵塔黑（Vantablack）

科學(xué)家近日偶然發(fā)現(xiàn)有史以來(lái)最黑的材料，能吸收99.995%的入射光。這種超黑材料由碳納米管(CNTs)制成。據(jù)介紹，在此之前，人們已知最黑的材料是梵塔黑(Vantablack)，能吸收99.96%的光。而麻省理工學(xué)院解釋稱，這種全新的、未命名的材料“比包括梵塔黑在內(nèi)的所有其他超黑材料要再黑10倍”。

超級(jí)黑！

麻省理工學(xué)院在校藝術(shù)家施特雷貝與研究人員合作，用該黑色材料覆蓋一顆重達(dá)1678克拉、價(jià)值200萬(wàn)美元的天然黃鉆，閃耀的鉆石完全變成了黑色。施特雷貝表示：“由于碳納米管具有極高的吸光性，任何物體，在這件事中即覆蓋碳納米管的大鉆石，都會(huì)成為一種沒(méi)有陰影的黑洞?！?/p>

全防水還透氣？

一種新的復(fù)合材料Flash Knit被稱為新型防水材料。

這個(gè)稱為 Flash Knit 的面料一共有 3 層，各自具有不同的功能。

第一層也是最外面一層是彈力編織層，由聚酯纖維和尼龍混紡而成，起到防水、拒水、防風(fēng)的效果；

第二層是納米過(guò)濾層，能進(jìn)一步起到防水、吸濕作用；

第三層是透氣內(nèi)層，有效幫助腳部排汗。

防水性測(cè)試，左邊

透氣性測(cè)試

目前最貴的材料

1克碳炔，其成本高達(dá)600萬(wàn)美元。我們可能認(rèn)為很貴了，但是其實(shí)最貴的材料是，內(nèi)嵌富勒烯。

“內(nèi)嵌富勒烯”是牛津大學(xué)研發(fā)出的一種由碳原子組成的籠形結(jié)構(gòu)，籠內(nèi)裝有氮原子。

富勒烯結(jié)構(gòu)中最為特殊的性質(zhì)是其碳籠內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，因此可以在其內(nèi)部空腔內(nèi)嵌某些特殊物種(原子、離子或原子簇)，由此而形成的富勒烯被稱為內(nèi)嵌富勒烯?！皟?nèi)嵌富勒烯”材料將被用來(lái)制造小型便攜式原子鐘，使無(wú)人駕駛汽車(chē)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)精確到1毫米。原子鐘是目前世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。

原子鐘系統(tǒng)

在英國(guó)牛津大學(xué)的一個(gè)新型碳材料研究實(shí)驗(yàn)室(Designer Carbon Materials)中，科學(xué)家正在研制內(nèi)嵌富勒烯。不久前，他們剛剛將這種材料的第一份樣品以3.2萬(wàn)美元售出。這份樣品的重量只有200微克(1微克等于1克的百萬(wàn)分之一)，算下來(lái)，折合1.6億美元1克。

內(nèi)嵌富勒烯籠狀結(jié)構(gòu)

梵觀點(diǎn)：按馬斯克目前身家約1700億美元計(jì)算，也就夠買(mǎi)1公斤多一點(diǎn)。