由于新型化学中的自愈型智能材料对能量存储，医疗及其他领域产生了巨大的影响，工程材料科学界在21世纪正进行着一场革命。美国政府材料基因组计划的重点研究是先进材料在清洁能源，国家安全和人类福祉方面的应用。新的工具让我们可以通过原子级别的操作来开发出新的材料从而创造出无限的可能。碳纤维复合材料可以用来制造更轻便更省油的车辆。合金正使航空电子设备发生革命性的变化。生物材料正改变着我们修复和替换坏掉的身体器官的方式。纳米材料正为量子计算机的研发贡献着巨大的力量。

    下面是Carbeck描绘出的材料科学方面目前排名前五的重大突破和他预言的接下来三年里将会出现的排名前五的重大突破。

    最近排名前五的材料科学重大突破：2013到2015年

    材料基因组计划（MGI）预言了成千上万的新型材料

    和人类基因组计划记录了人体中的所有基因然后用机器学习来作出预测一样，材料基因组计划也打算把用元素周期表上的元素的上亿种不同的组合记录下来。为什么创造出这么一个巨大的数据库之后，科学家们就可以用人工智能来预测新材料组合的性质。Carbeck解释说，“在过去的几年里，我们已经记录了已知的10000种材料，并且在高性能计算机及量子机器的帮助下，开始预测目前并还不存在的新材料的性质进行预测。”

    石墨烯推动了新电子设备，传感器和复合材料的诞生

    石墨烯是钻石和石墨的二维展开形式，它的潜在影响正在发生。这将是我们构建出传感和计算无处不在的世界的关键因素。石墨烯在重量上比钢筋轻两百倍。在过去的十年里我们看到它已经成为许多高性能晶体管，传感器和新复合材料的选择之一。

    可充电的金属-空气电池使大规模的电能存储的成本低并且可靠

    新型的电池正在出现。它们就是像铝-空气，锌-空气和锂-空气这样的金属-空气电池。由于不需要化学氧化剂所带来的额外的重量和体积，它们变得更加小巧而轻便。它们有潜力为全世界无法获得可靠电源的12亿人供电。“网格化的金属-空气电池有可能超越传统集中式的能源生产和传输，尤其是在非洲这样的地区，”Carbeck说。

    可移植的超薄硅电路使电子设备能够随身携带甚至植入体内

    我们正在研究能够把高性能的电子设备从硅片上转移到能够植入人体内的物质中的技术。这将改变我们与电子设备的交互方式——我们记录日常行为，监测健康状况，通讯以及连接到云端的方式。

    柔软的机器人开始改变人机接口

    材料科学让我们能够用完全不同的材料制造出表现方式完全不同的机器人。例如，想象一下，不像一个刚性的金属假肢那样，一个柔软的机器人假肢在通上电之后就像真正的肌肉一样活动。“这种柔软的材料将会创造出一种全新的人类与机器人身体的交互方式，由电力驱动，这让我们能够设计出像肌肉一样的推拉系统。”

    那么不久的将来会发生什么呢？

    预期中材料科学领域排名前五的重大突破：2016到2018年

    超材料将大行其道

    不断汇聚的超级计算，模型软件以及微米级的添加制造法加上其他的制造技术将会让我们提高预测的能力，预测出那些自然界中还不存在的具有不可思议性质的工程和建筑的超材料（例如，人们穿上就能隐身的隐身斗篷）。

    钙钛矿型太阳能电池将击败硅太阳能电池

    钙钛矿是一种刚好能够让太阳能电池变得高效而廉价的神奇材料。五年前钙钛矿的太阳能电性质发现的时候，其能量转化率大约为4%。如今已经达到了20%，并且有望在以后的几年里提高到30%。钙钛矿比现在用来生产硅太阳能电池的材料便宜了100到1000倍。到2017年我们应该就能看到大量的使用，把我们的生活进一步推向广泛使用太阳能的未来。

    人工智能和材料基因组计划将会让新材料的商业化以几何速度增长

    随着云计算和机器学习让科学家们得以找到新的材料组合和材料性质，已经开发了几年的材料基因组计划也将进入全面发展阶段。由于人工智能的应用，大量新的商业化产品有望出现。你将能够说，“我想为我的膝盖造出下一代的替代品，”Carbeck说，并且人工智能将会知道所有可能获得的材料从而帮助我们选出最安全可靠的那些材料。

    碳纳米管和石墨烯将会使摩尔定律大大延长

    要想摩尔定律继续适用，我们需要为计算机找出从根本上完全不同的组织材料。石墨烯和碳纳米管就是最有希望的解决方案。这些材料的性质让我们能够继续提高计算的性价比。我们甚至可以通过材料的预编程和自组装在传统技术生产的芯片上加上石墨烯的功能。

    可回收的碳纤维复合材料

     尽管高性能的热固性和热塑性复合材料使得波音客机以及宝马i8有了新的突破，但是一旦加热凝固之后它们就再也不可逆也不可改变了，不像铝和钢筋那样，还能融化重造。但最近的突破能够改变这一点，提高它们的功用。Carbeck解释说，“在化学方面已经有了真正的突破让我们能够进行化学反应的逆过程来让可塑的复合材料解聚成液体状态从而重利用。”

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责任编辑：王元

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