未来光明：7种黑科技材料照亮路途

约50亿年后，太阳将完成氢元素的聚变并开启氦元素的聚变，体积急剧膨胀并将地球吞噬，“黑科技”材料可以引领我们的未来。

人类生活在地球上是幸运的，但是地球却不是人类永恒的家。在约50亿年后，太阳将完成氢元素的聚变并开启氦元素的聚变，到那时太阳的体积会急剧膨胀并将地球吞噬。所以那个时候人类将不得不踏上星际之旅，去寻找第二个宜居家园。当然，我们还有50亿年的时间准备，而人类目前的文明历史也才几千年而已，所以，人类现在需要做的就是学会如何在地球上更好地生活，为人类的永恒发展做好充足的准备。

科技水平的提高是人类永恒发展的保证，各种“黑科技”材料的应用，不断推动着人类走得更高更远。

我们已经知道，核聚变是高效、环保的能源获取形式，但是就目前人类还在大量使用化石能源的技术现状而言，很难直接跨越到使用核聚变的阶段。所以人类在不断地扩大诸如太阳能、风能、潮汐能等绿色清洁能源的使用范围和比例。这些清洁能源看似完美，但是，使用过程有着一个致命问题，那就是将清洁能源用于发电时的发电功率十分不稳定，因为会受到光照强度、风力、潮汐周期的影响。这类不稳定的电是无法直接并入电网中使用的，否则电网就会受到冲击而遭到破坏。中国每年因清洁能源的不稳定发电而放弃的电量达到近千亿度，相当于一个小型发展中国家一年的用电量。

如何解决这个问题呢？很简单，先将这些不稳定的电储存起来，再平稳输出。

人们最先想到的就是利用电池来储存电能。以铅酸电池为主的储能电池虽然价格便宜，但是储电效率不能令人满意，同时还存在环境污染的问题。所以寻找更高效的储能电池，例如钒（V）电池等，是人们努力的方向之一。

当然，电能的储存方法不一定非要通过电池来实现。氢元素是宇宙中含量最高的元素，地球上的氢元素主要以水的形式存在。氢气的燃烧产物就是水，这个化学反应被认为是世界上最干净的反应。同时，氢气的燃烧热值非常高，可以达到汽油的三倍，也就是说，燃烧相同质量的氢气和汽油，氢气所释放的能量是汽油的三倍。所以，氢能作为环保、可再生的能源形式，必将在21世纪展现出强大的生命力。

但是，氢气本身化学性质活泼，在自然界的含量极低，所以氢气并不能直接从自然界获取。可是，氢气却可以通过电解水的方式制备。也就是说，只要向水中通电，就可以制备出氢气来。这样大量的弃电便可以用来进行电解水制备氢气，以氢能的形式将弃电储存下来，并提供给其他工业部门使用。

氢气很有未来感的一个应用就是制造氢燃料电池，从而代替锂离子电池应用于电动汽车上。氢燃料电池的工作原理就是氢气与氧气反应生成水，所以氢燃料电动汽车不但实现了污染物零排放，而且无须充电，只要更换“氢源”便可以实现“充电”。

这里的“氢源”是什么呢？就是一种可以大量储存氢气的物质，也被称为储氢材料。储氢材料可不是氢气储罐，而是一种合金材料。到目前为止，性能最优异的储氢材料是镍镧合金（LaNi₅）。镍镧合金之所以能储存氢气，是因为合金与氢气发生了化学反应。首先氢气被催化而分解成氢原子，这些氢原子被镶嵌进入了镍镧合金晶体的点阵内，形成金属氢化物，这样就把氢原子储存了起来。由于这个反应是可逆的，所以储氢材料就像海绵吸水那样，可以储存氢气，也可以释放氢气。镍镧合金单位体积就可以吸收1300倍体积的氢气，同时吸收氢气后并不会产生巨大的气压，所以是一种安全高效的储氢方式。有了高效储氢材料，氢燃料电池以及氢燃料电动汽车的广泛推广就有了坚实的基础，人类的发展与地球环境的保护便可以更好地兼顾。

石墨烯，作为“人类发现的第一种二维材料”，被公认为21世纪迄今为止最伟大的发现。被发现仅六年后，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫就因此在2010年获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯的发现在工业领域掀起了轩然大波，“超级电池”“超级散热器”“超级电容器”“超级传感器”……好像材料只要是添加了石墨烯，就都可以摇身一变成为“超级材料”。

那么石墨烯到底是什么？它真的可以主宰21世纪的人类文明吗？

石墨烯是一种碳材料，是只由碳元素组成的材料。

是的，你没有看错，那个地球生命离不开的核心元素——碳元素又回来了。我们已经知道，碳原子最外层有四个电子，可以形成四个共价键。但是共价键又有两种主要形式：头对头的σ键和肩并肩的π键。四个共价键中，如果全部为σ键，则形成的碳材料是金刚石；而如果是三个σ键和一个π键，形成的碳材料就是石墨烯了。

在微观层面，由于共价键中的三个σ键是完全相同的，所以就需要把这三个σ键均匀舒展地排布在空间中，以达到热力学最稳定的状态，这个均匀排布方式就是等边三角形。碳原子所在的位置就是等边三角形的中心和三个顶点，而剩余的那个π键则是垂直于这个等边三角形所在的平面。当这些碳原子不断向外铺展时，就形成了以正六边形为单元的平面网络，这个单层碳平面网络就是石墨烯。

其实石墨烯的发现过程十分有趣。科研人员把一片很薄的石墨放在透明胶带上，然后用另一张透明胶带不断地去粘这个石墨，从而让石墨层间相互分离，直到粘得只剩一层为止，这样就轻而易举地得到了这种未来材料石墨烯。但是，厚1mm的石墨大约包含300万层的石墨烯，大家想想，通过透明胶带剥离出单一的一层石墨烯，耗费了多少功夫！所以，科研工作也是苦行僧般的工作。

石墨烯最大的特点就是具有极佳的导电特性。这种导电性来自哪里呢？没错，就来自垂直于等边三角形平面的那个π键。由于每一个碳原子都有一个π电子，以电子云的形式垂直于三角形平面，所以在碳原子形成石墨烯层的时候，垂直的π电子云也会“肩并肩”地侧向重叠形成π键，而无数个π键相互连通就形成了一个超大的大π键，也叫作离域π键。离域π键覆盖了石墨烯层的所有的碳原子，从而使π电子可以在这个离域π键中自由移动，也就成就了石墨烯优异的导电性能。

同时，石墨烯的单层结构使π电子在运动时不会受到层间约束，相较于多层的石墨而言，石墨烯中的π电子是真正的自由电子。石墨烯中电子的运动速度可以达到光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度，故而导电性能超越了所有金属。(www.xing528.com)

石墨烯给人类的惊喜还不止于此。2018年，我国年轻的科学家曹源发现，在一定温度下，如果将两层石墨烯之间转动一个特殊的角度——1.1°，石墨烯瞬间就可以变为超导材料！这个发现震惊了世界，科学界将这个1.1°角称为石墨烯魔角。这是人类首次通过控制温度以外的方法得到了超导材料。石墨烯魔角的发现也开创了一个新的材料研究领域——魔角超导材料研究，并激发科学家去探索所有已知层状材料的魔角超导特性。

凭借着超强的导电性能和单层结构赋予的量子效应，石墨烯必将在21世纪带来电子产业的一次革命，从而彻底改变人类的生活，让我们拭目以待吧！

我们知道生命可以进化出智能，但是材料可以吗？

一件衣服穿时间久了就会发皱，如果我们的体温能够让衣服“恢复记忆”，重新恢复到新衣服的平整状态，那么我们就可以不再熨烫也能天天穿新衣；驾驶汽车总免不了磕磕碰碰，漂亮的汽车上出现一个不美观的凹坑就会让车主万分沮丧，如果能用一桶热水唤醒汽车外壳材料的“记忆”，从而恢复平整光滑的状态，那么汽车钣金修理厂可能也要退出历史舞台了。

可是这种智能材料真的存在吗？当然存在，这就是形状记忆材料。

如何赋予材料记忆功能呢？形状记忆材料利用的就是相变过程。普通材料受到外界作用力而发生形变的时候，形变往往是不可逆的或者是部分可逆的。而形状记忆材料受到外界作用力而发生形变时，其实同时发生了材料的相变，就像是一个类似冰融化成水的过程。而如果将形变后的材料放入热水中，材料就会发生逆向的相变过程，就像是水又结成了冰，同时形状也恢复到了原来的样子，这就是形状记忆的基本原理。

目前世界上已经发现了镍钛合金、金镉合金、铜锌镓合金、铟钛合金、铁铂合金、铀铌合金等二十多种具有记忆功能的合金，其中性能最优异的为镍钛合金，也被称为镍钛诺。镍钛诺不仅“记忆”能力极强，也就是形变后可以恢复到和原来一模一样的形状，而且这种形状记忆本领可以重复施展500万次以上。

形状记忆材料最大的用途是在航空航天领域。人造卫星的雷达天线和太阳能电池板在发射至太空之前都要先收纳到一个很小的空间中，等进入太空准备工作时再逐渐展开。如果天线和太阳能电池材料具有很好的柔性，便于收纳，则往往强度不够；如果材料强度很好，则往往柔性差，不易收纳。这对看似无法调和的矛盾却可以通过形状记忆合金完美解决。合金材料往往具有较好的强度，当雷达天线和太阳能电池板需要展开时，形状记忆合金就可以快速地恢复到原先的平展形状，并且形状恢复的程度可以达到100%，从而既保证了形状的精度，又可以兼顾材料的强度与可收纳性，真是一举两得。

希望未来人类可以借助形状记忆材料的帮助，顺利踏上星际之旅！

说到气凝胶，大家并不熟悉，但是我们平时吃的果冻、烧仙草，却是另一种凝胶——水凝胶。如果把凝胶里的水替换成空气，就得到了一种高科技材料——气凝胶。

这个过程听起来简单，其实很不容易。这是因为在水凝胶干燥的过程中会存在毛细管力的作用，在这种力的作用下，水凝胶的高分子骨架会发生收缩和坍塌，气凝胶没得到，只会得到一团干瘪瘪的渣渣。直到20世纪30年代，美国科学家利用超临界干燥技术才完美地解决了这个世界难题，并得到了世界上第一块气凝胶——二氧化硅气凝胶。超临界状态，是一个听起来很酷的状态，超临界状态的物质既不是气态，也不是液态，此时物质的气液界面消失，毛细管力消失，从而使凝胶在干燥过程中不再受到毛细管力的破坏。

气凝胶中99%以上都是空气，故而密度可以低至仅为空气的2.3倍。剩下的1%则是由纳米颗粒堆积成的多孔网络，可见光透过气凝胶时会发生瑞利散射，使得气凝胶看起来半透明，而且微微泛蓝，就像是一缕轻烟被“冻住了”，因而气凝胶也被称为“冷冻的烟”“困住的云”，十分美丽。

气凝胶最大的用途是保温隔热。由于气凝胶内部的孔洞在纳米级别，低于空气分子的平均自由程，因而空气分子在气凝胶中无法运动，处于静止状态。平均自由程可以简单理解为空气分子在气凝胶中迈一步最少要走的距离，而气凝胶的孔洞小到让空气分子连腿都迈不开，只能老老实实地待着。这一特性就使得气凝胶内部无法进行对流传热，赋予了气凝胶优异的隔热性能。气凝胶的热导率可低至0.013W/mK（W/mK为导热系数）以下，假设普通羽绒服的热导率约为0.05W/mK，是气凝胶的四倍左右，那么，当别人穿着一件30mm厚的羽绒服在哈尔滨-30℃的冬天感受大雪纷飞的时候，你就可以穿着一件七八毫米厚的小夹克感受四季如春了。

气凝胶优异隔热性能的真正用武之地是在航空航天领域，例如美国的“好奇号”火星探测器、俄罗斯“和平号”空间站、我国新一代大运力运载火箭“长征五号”“天舟一号”货运飞船等都使用了气凝胶作为保温隔热材料。由于飞行器的工作温度既可能低至-100℃，又可能高于1000℃，因此，隔热保温能力超强的气凝胶便可以大显神威，始终保证飞行器内设备的正常工作。

2019年，美国哈佛大学教授罗宾·沃兹沃思在《自然—天文学》期刊上发表了一项有趣的研究成果，该研究成果认为，气凝胶可用于火星表面环境的改造。我们知道，火星表面温度很低，无法让水维持液态；没有可以抵御紫外线辐射的臭氧层，因此不适合地球生命生存。他们在研究过程中模拟火星表面条件，发现2—3cm（厘米）厚的气凝胶层便可以使火星表面温度上升50℃，在富冰温带地区可以终年维持几米深的液态水。此外，气凝胶在传播可见光的同时可以吸收紫外线，起到了类似地球臭氧层的作用，这样既能保护生命免受紫外线的伤害，又可以提供充足的光照支持植物光合作用。

这些做法是不是听起来很酷？期待有一天，气凝胶既能帮助人类离开地球，同时又能实现火星等星球的宜居改造，创造太空世界中人类的第二个家园。