1、二十大未來最有潛力的新材料 1.石墨烯突破性：非同尋常的導(dǎo)電性能、極低的電阻率和極快的電子遷移的速度、超出鋼鐵數(shù)十倍的強度和極好的透光性。它是已知材料中最薄的一種，質(zhì)料非常牢固堅硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料本質(zhì)上，石墨烯是分離出來的單原子層平面石墨 一塊石墨,一個石墨烯晶體管和一個膠帶。石墨片放置在塑料膠帶中， 折疊膠帶粘住石墨薄片的兩側(cè)，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重復(fù)這一過程，就可以得到越來越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構(gòu)成他們制得了石墨烯。 所有其他維度的石墨材料的基

2、本構(gòu)建模塊 石墨石墨烯碳納米管巴基球（富勒烯）在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅遠(yuǎn)沒有石墨烯表現(xiàn)得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，2013年一般的電腦芯片以這種方式浪費了72%-81%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非比尋常的優(yōu)良特性?？捎脕戆l(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。 數(shù)小時美國俄亥俄州的Nanotek儀器公司 不到一分鐘 電池產(chǎn)業(yè)的變革促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新 外形小巧，而且充電速度

3、為普通電池的1000倍，可以在數(shù)秒內(nèi)為手機甚至汽車充電，同時可用于制造體積較小的器件。 美國加州大學(xué)洛杉磯分校微型超級電容器潛在用途保護(hù)涂層，透明可彎折電子元件，超大容量電容器，等等2、氣凝膠突破性：高孔隙率、低密度質(zhì)輕、低熱導(dǎo)率，隔熱保溫特性優(yōu)異。 氣凝膠（干凝膠）：當(dāng)凝膠脫去大部分溶劑，使凝膠中液體含量比固體含量少得多，或凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)是氣體，外表呈固體狀。氣凝膠也具凝膠的性質(zhì)，即具膨脹作用、觸變作用、離漿作用。性質(zhì)此物質(zhì)極輕。其密度大約為3mg/cm3僅僅為空氣的三倍重。盡管氣凝膠里有個膠字，但它其實是堅硬而干燥的物質(zhì)，就其物理性質(zhì)與膠體一點也不類似。被稱為膠是由于它的制

4、造過程提取于凝膠。提起指尖輕輕在凝膠表面按壓一下并不會留下痕跡；如果以加重的力道按壓會造成永久的凹陷；而加上足夠的力量會讓它如玻璃般破碎散落成塊。這個便是我們所知道的易脆性。雖然它具有破碎的傾向，但是以結(jié)構(gòu)來說它仍是非常堅固的。它優(yōu)秀的負(fù)載能力是源于其分子的組成：大約尺寸為2到5奈米的球形聚合粒子互相結(jié)合成一個個小單元，進(jìn)而組合成樹突狀的微觀立體結(jié)構(gòu)。這些小單元會形成碎形鏈狀的三維結(jié)構(gòu)，其間充塞著大量的孔洞，每個孔洞尺寸不大于100奈米。而這些孔洞的聚集密度以及個別的平均大小能夠經(jīng)由制造過程加以控制。氣凝膠是優(yōu)良的熱絕緣體，一寸厚的氣凝膠相當(dāng)于20至30塊普通玻璃的隔熱功能。來源請求氣凝膠幾乎

5、能阻絕由三種傳熱方式（熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射）帶來的熱量轉(zhuǎn)移。凝膠中空氣的成分比例至少占99.8%以上，而空氣為熱的不良導(dǎo)體，故它們是好的熱傳導(dǎo)隔絕材料(不過金屬凝膠在作為絕緣體的用途時就不是那么有效)。例如硅凝膠，由于硅也為熱的不良導(dǎo)體，其隔絕性能又更加良好了。就熱對流的方式而言，因為空氣無法跨越凝膠表面行對流作用，他們也是好的熱對流隔絕材料。碳凝膠是好的熱輻射隔絕材料，因為碳元素在標(biāo)準(zhǔn)溫度下能夠吸收熱量轉(zhuǎn)移時散發(fā)的紅外線輻射。亦即，現(xiàn)今性質(zhì)最好的氣凝膠是摻入部分碳元素的硅凝膠。因為吸濕的自然性質(zhì)，凝膠摸起來干干的，并表現(xiàn)出強大的吸水能力。為此長時間拿著凝膠的人要穿著手套，以預(yù)防皮膚表面出現(xiàn)

6、干燥脆化的現(xiàn)象。因為瑞利散射的影響，凝膠里的微小樹突結(jié)構(gòu)會過濾可見光光譜中波長較短小的部份。而這就產(chǎn)生了它輕柔的顏色：在較暗的環(huán)境散發(fā)柔柔的藍(lán)光，在明亮的環(huán)境散發(fā)微微的黃光。氣凝膠本身的性質(zhì)是具親水性的，但是藉由化學(xué)制程可將它改變?yōu)榫呤杷?。凝膠在逐漸吸收水氣的過程中會經(jīng)歷分子結(jié)構(gòu)的變動，如同尺寸縮水，甚至完全被毀壞。藉由改變凝膠對于水氣的接受度才能改善毀壞的現(xiàn)象。即使有裂縫穿過膠體表面，那些內(nèi)部被化學(xué)制程強化過的樣品對水氣的抵抗作用也會好過于那些只僅僅強化分子表層的樣品。而疏水性制程能促進(jìn)膠體加工過程的便利性，因為這樣就便于使用水刀切割了。一塊重2.5公斤的磚頭由一塊重2克的氣凝膠支撐著因為

7、密度極低，目前最輕的硅氣凝膠僅有0.16毫克每立方厘米，比空氣密度略低，所以也被叫做“凍結(jié)的煙”或“藍(lán)煙”。由于里面的顆粒非常?。{米量級），所以可見光經(jīng)過它時散射較?。ㄈ鹄⑸洌拖耜柟饨?jīng)過空氣一樣。因此，它也和天空一樣看著發(fā)藍(lán)（如果里面沒有摻雜其它東西），如果對著光看有點發(fā)紅。（天空是藍(lán)色的，而傍晚的天空是紅色的）。由于氣凝膠中一般80%以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當(dāng)20至30塊普通玻璃的隔熱功能。即使把氣凝膠放在玫瑰與火焰之間，玫瑰也會絲毫無損。氣凝膠在航天探測上也有多種用途，在俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”的探測器上都有用到這種材料。氣凝膠也在粒子

8、物理實驗中，使用來作為切連科夫效應(yīng)的探測器。位在高能加速器研究機構(gòu)B介子工廠的Belle 實驗探測器中一個稱為氣凝膠切連科夫計數(shù)器(Aerogel Cherenkov Counter, ACC) 的粒子鑒別器，就是一個最新的應(yīng)用實例。這個探測器利用的氣凝膠的介于液體與氣體之低折射系數(shù)特性，還有其高透光度與固態(tài)的性質(zhì)，優(yōu)于傳統(tǒng)使用低溫液體或是高壓空氣的作法。同時，其輕量的性質(zhì)也是優(yōu)點之一。特性氣凝膠，作為世界最輕的固體，已入選吉尼斯世界紀(jì)錄。這種新材料密度僅為3.55千克每立方米，僅為空氣密度的2.75倍；干燥的松木密度（500千克每立方米）是它的140倍。這種物質(zhì)看上去像凝固的煙，但它的成分與

9、玻璃相似。由于它的密度極小，用于航空航天方面非常合適。 美宇航局噴氣推進(jìn)實驗室，該實驗室瓊斯博士研制出的新型氣凝膠，主要由純二氧化硅等組成。在制作過程中，液態(tài)硅化合物首先與能快速蒸發(fā)的液體溶劑混合，形成凝膠，然后將凝膠放在一種類似加壓蒸煮器的儀器中干燥，并經(jīng)過加熱和降壓，形成多孔海綿狀結(jié)構(gòu)。瓊斯博士最終獲得的氣凝膠中空氣比例占到了99.8%。氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪，其實非常堅固耐用，最高能承受1400攝氏度的高溫。氣凝膠的這些特性在航天探測上有多種用途。俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器上，都用到了氣凝膠材料

10、。美國國家宇航局研制出的一種新型氣凝膠，由于密度只有每立方厘米3毫克，日前已經(jīng)作為“世界上密度最低的固體”正式入選吉尼斯世界紀(jì)錄。這種氣凝膠呈半透明淡藍(lán)色，重量極輕，因此人們也把它稱為“固態(tài)煙”。新型氣凝膠是由美國國家宇航局下屬的“噴氣推進(jìn)實驗室”材料科學(xué)家史蒂芬瓊斯博士研制的。它的主要成分和玻璃一樣也是二氧化硅，但因為它99.8%都是空氣，所以密度只有玻璃的千分之一。氣凝膠貌似“弱不禁風(fēng)”，其實非常堅固耐用。它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，在溫度達(dá)到1200攝氏度時才會熔化。此外它的導(dǎo)熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。由于具備這些特性，氣凝膠便成為航天探測中不可

11、替代的材料，俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器都用它來進(jìn)行熱絕緣。氣凝膠在航天中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些，美國國家宇航局的“星塵”號飛船正帶著它在太空中執(zhí)行一項十分重要的使命收集彗星微粒?？茖W(xué)家認(rèn)為，彗星微粒中包含著太陽系中最原始、最古老的物質(zhì)，研究它可以幫助人類更清楚地了解太陽和行星的歷史。2006年，“星塵”號飛船將帶著人類獲得的第一批彗星星塵樣品返回地球。但收集彗星星塵并不是件容易的事，它的速度相當(dāng)于步槍子彈的6倍，盡管體積比沙粒還要小，可是當(dāng)它以如此高速接觸其它物質(zhì)時，自身的物理和化學(xué)組成都有可能發(fā)生改變，甚至完全被蒸發(fā)。如今科學(xué)家有了氣凝膠，這個問題就變得很簡單了。它就像一個極

12、其柔軟的棒球手套，可以輕輕地消減彗星星塵的速度，使它在滑行一段相當(dāng)于自身長度200倍的距離后慢慢停下來。在進(jìn)入“氣凝膠手套”后，星塵會留下一段胡蘿卜狀的軌跡，由于氣凝膠幾乎是透明的，科學(xué)家可以按照軌跡輕松地找到這些微粒。制備氣凝膠最初是由S.Kistler命名，由于他采用超臨界干燥方法成功制備了二氧化硅氣凝膠，故將氣凝膠定義為：濕凝膠經(jīng)超臨界干燥所得到的材料，稱之為氣凝膠。在90年代中后期，隨著常壓干燥技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，90年代中后期普遍接受的氣凝膠的定義是：不論采用何種干燥方法，只要是將濕凝膠中的液體被氣體所取代，同時凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本保留不變，這樣所得的材料都稱為氣凝膠。氣凝膠的結(jié)構(gòu)特征是

13、擁有高通透性的圓筒形多分枝納米多孔三位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有極高孔洞率、極低的密度、高比表面積、超高孔體積率，其體密度在0.003-0.500 g/cm-3范圍內(nèi)可調(diào)。（空氣的密度為0.00129 g/cm-3）。氣凝膠的制備通常由溶膠凝膠過程和超臨界干燥處理構(gòu)成。在溶膠凝膠過程中，通過控制溶液的水解和縮聚反應(yīng)條件，在溶體內(nèi)形成不同結(jié)構(gòu)的納米團(tuán)簇，團(tuán)簇之間的相互粘連形成凝膠體，而在凝膠體的固態(tài)骨架周圍則充滿化學(xué)反應(yīng)后剩余的液態(tài)試劑。為了防止凝膠干燥過程中微孔洞內(nèi)的表面張力導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的破壞，采用超臨界干燥工藝處理，把凝膠置于壓力容器中加溫升壓，使凝膠內(nèi)的液體發(fā)生相變成超臨界態(tài)的流體，氣液界面消失，表面

14、張力不復(fù)存在，此時將這種超臨界流體從壓力容器中釋放，即可得到多孔、無序、具有納米量級連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的低密度氣凝膠材料。氣凝膠內(nèi)含大量的空氣，典型的孔洞線度在ll00納米范圍，孔洞率在80%以上，是一種具有納米結(jié)構(gòu)的多孔材料，在力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等諸方面均顯示其獨特性質(zhì)。它們明顯不同于孔洞結(jié)構(gòu)在微米和毫米量級的多孔材料，其纖細(xì)的納米結(jié)構(gòu)使得材料的熱導(dǎo)率極低，具有極大的比表面積對光、聲的散射均比傳統(tǒng)的多孔性材料小得多，這些獨特的性質(zhì)不僅使得該材料在基礎(chǔ)研究中引起人們興趣，而且在許多領(lǐng)域蘊藏著廣泛的應(yīng)用前景。其他用途1、制作火星探險宇航服2002年，美國宇航局成立了一家公司，專門生產(chǎn)更結(jié)實更有韌性

15、的氣凝膠。美國宇航局2013年已經(jīng)確定，在2018年火星探險時，宇航員們將穿上用新型氣凝膠制造的宇航服。該公司的資深科學(xué)家馬克克拉杰沃斯基說，只要在宇航服中加入一個18毫米厚的氣凝膠層，那么它就能幫助宇航員扛住1300的高溫和零下130的超低溫?！斑@是我見過的最有效的恒溫材料?！瘪R克如是說。2、防彈不怕被炸防彈是新型氣凝膠的第二個重要用途。美國宇航局的這家公司正在對用氣凝膠建造的住所和軍車進(jìn)行測試。根據(jù)試驗室的試驗情況來看，如果在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，那么，就算炸藥直接炸中，對金屬片也分毫無傷。3、可處理生態(tài)災(zāi)難環(huán)保是新型氣凝膠的第三個重要作用?？茖W(xué)家們將氣凝膠親切地稱為“超級海綿

16、”，因為其表面有成百上千萬的小孔，所以是非常理想的吸附水中污染物的材料。美國科學(xué)家新發(fā)明的氣凝膠居然能吸出水中的鉛和水銀。據(jù)這位科學(xué)家稱，這種氣凝膠是處理生態(tài)災(zāi)難的絕好材料，比如說1996年“海上快車”油輪沉沒后，72000噸原油外泄，如果當(dāng)時用上這種材料的話，那么就不會導(dǎo)致整個海岸受到嚴(yán)重的污染。4、網(wǎng)球拍擊球能力更強新型氣凝膠也將步入我們每個人的未來日常生活。比如說美國的Dunlop體育器材公司已經(jīng)成功研發(fā)了含有氣凝膠的網(wǎng)球拍。這種網(wǎng)球拍據(jù)說擊球的能力更強；2012年年初，66歲的鮑博斯托克成為第一個將氣凝膠用于住房的英國人：“保溫加熱的效果非常好，我將空調(diào)的溫度下降了5，結(jié)果室內(nèi)的溫度仍

17、然非常舒適?！钡巧秸咭矊饽z的運用充滿了希望。英國登山家安尼帕爾門特2011年登珠峰時所穿的鞋子就是使用了部分氣凝膠材料，他的睡袋里也有一層這種新材料。4、富勒烯突破性：具有線性和非線性光學(xué)特性，堿金屬富勒烯超導(dǎo)性等。 5、非晶合金突破性：高強韌性、優(yōu)良的導(dǎo)磁性和低的磁損耗、優(yōu)異的液態(tài)流動性。6、泡沫金屬突破性：重量輕、密度低、孔隙率高、比表面積大?？紫抖?多孔體中所有孔隙的體積與多孔體總體積之比達(dá)到90%以上，具有一定強度和剛度的多孔金屬它的透氣性很高，幾乎都是連通孔，孔隙比表面積大，材料容重很小。粉末冶金法制造泡沫金屬，是在粉末中加入發(fā)泡劑（如NH4Cl），燒結(jié)時發(fā)泡劑揮發(fā)，留下孔隙。用

18、電化學(xué)沉積法可以制得規(guī)則形狀孔隙、孔隙率高達(dá)95%的泡沫金屬，包括以Cu，Ni，NiCrFe，ZnCu，NiCu，NiCrW，NiFe等金屬和合金為骨架的泡沫材料。將電化學(xué)沉積在多孔體上的金屬，經(jīng)燒結(jié)使沉積組分連接成整體，強度達(dá)到要求的高孔隙泡沫金屬，孔隙度高，使用中可以填充更多的物質(zhì)，如催化劑、電解質(zhì)等。泡沫金屬在石油化工、航空航天、環(huán)保中用于制造凈化、過濾、催化支架、電極等裝置。含有泡沫狀氣孔的金屬材料與一般燒結(jié)多孔金屬相比，泡沫金屬的氣孔率更高，孔徑尺寸較大，可達(dá)7毫米。由于泡沫金屬是由金屬基體骨架連續(xù)相和氣孔分散相或連續(xù)相組成的兩相復(fù)合材料，因此其性質(zhì)取決于所用金屬基體、氣孔率和氣孔結(jié)

19、構(gòu)，并受制備工藝的影響。通常，泡沫金屬的力學(xué)性能隨氣孔率的增加而降低，其導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性也相應(yīng)呈指數(shù)關(guān)系降低。當(dāng)泡沫金屬承受壓力時，由于氣孔塌陷導(dǎo)致的受力面積增加和材料應(yīng)變硬化效應(yīng)，使得泡沫金屬具有優(yōu)異的沖擊能量吸收特性。泡沫金屬的制備有發(fā)泡法和電鍍法，前者通過向熔體金屬添加發(fā)泡劑制得泡沫金屬；后者通過電沉積工藝在聚氨酯泡沫塑料骨架上復(fù)制成泡沫金屬。已實用的泡沫金屬有鋁、鎳及其合金。泡沫鋁及其合金質(zhì)輕，具有吸音、隔熱、減振、吸收沖擊能和電磁波等特性，適用于導(dǎo)彈、飛行器和其回收部件的沖擊保護(hù)層，汽車緩沖器，電子機械減振裝置，脈沖電源電磁波屏蔽罩等。泡沫鎳由于有連通的氣孔結(jié)構(gòu)和高的氣孔率，因此具有高通氣性、高比表面積和毛細(xì)力，多作為功能材料，用于制作流體過濾器、霧化器、催化器、電池電極板和熱交換器等。7、離子液體突破性：具有高熱穩(wěn)定性、寬液態(tài)溫度范圍、可調(diào)酸堿性、極性、配位能力等。8、納米