新材料爆发在即?

点击量:458 发布时间:2017-03-18 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
谁都没想到,08年华尔街惹的祸居然像多米诺骨牌一样发酵并蔓延全球。这场危机扁平化、隐性化、长期化,“抗战八年”未果,已演变成全球生产、交易和生活方式的洗牌。这场危机究竟何时到头?
 
危机有“危”亦有“机”。历史经验表明,每一场经济危机都伴随着一场技术革命,继而,新技术革命又将成为推动经济增长的强大引擎,走出危机。
 
至少从前三轮技术(产业)革命看,从蒸汽机到化石能源再到电力,都是能源利用的转变,也是材料的基础之变。
 
以此看今朝,虽然新能源如太阳能等占比快速上升,但尚未形成供应方式的革命性变化,加之,能源革命亦遭遇材料壁垒,因此,新一轮科技和产业变革无疑将以新材料的技术突破为前提。
 
因为一旦材料出现颠覆,将根本改变人类历史进程。从青铜时代到铁器时代,若非石油的发现、塑料的发明,人类岂能进入如此丰富的能源化工时代?就是信息技术也得益于硅材料的突破。
 
只是当初这些新材料爆发的革命能量已逐渐用尽,不管是摩尔定律的失效还是塑料工业的污染,都已无法延续原有材料或持续性创新所能力挽狂澜。当下新经济呼唤新材料的颠覆性革命,新技术革命才有实现的可能,因此,新材料可谓科技革命的前哨战。
 
于是当人们被危机搞得疲惫不堪,殊不知一场新材料的盛宴已悄然开场。因为材料科学研究本身就出现了颠覆。
相比原本新材料的发明基本是一个个试,成功纯属“瞎猫撞上死耗子”,美国受人类基因组计划的启发,于2011年启动材料基因组计划,将元素周期表上的元素不同组合,依靠计算程序“预言”成千上万的新材料。单全球三大材料基因库就包含上千万种材料和几十万种假想材料。
基于此,科学家将以人工智能预测材料组合的性质,有的放矢地设计、构建和塑造各种超乎想象的新材料,或让衣服可以导电,或让太阳能利用效率是现在的千倍以上,甚至新生物材料几乎能“以假乱真”。
 
新材料无疑从物质宏观层面的重组进入了纳米微观层面的自由设计阶段,并打开了材料基因的潘多拉魔盒。
 
因为伴随原子基因之变,材质、性能随之而变,新材料由此在改头换面、移花接木中上演魔术般的奇迹。于是,纳米改造可以使混纺织物杀死细菌,可随意剪切的新型膜材料将让一切都成为显示屏,甚至是“T-1000终结者”那样的3D液态金属机器人也离人类越来越近了。
 
显然,新材料革命已近在咫尺,当下开始进入百花齐放的爆发期,而具有革命性,未来或将以釜底抽薪之势席卷全球的,有如下六大新材料:
一是石墨烯,仅由单层碳原子构成,却打开了二维材料的新天地。
石墨烯自诞生就头戴最薄、最坚硬、导电导热性能最强的万能材料王冠,不仅在军工航空大显身手,并在移动通讯独领风骚,越发显现多面能手的特质。尤其是石墨烯电池一旦真的实现“充电十分钟能跑1000公里”,那无疑将取代煤炭与石油,颠覆现有能源格局,有专家甚至预测中东许多产油国将因此排队破产。就连任正非都认为石墨烯将取代硅,由此掀起一场颠覆性的新技术新产业革命。
 
二是 ,外柔内刚,被誉为“黑色黄金”,在航空航天、军工装备等领域大放异彩。
美国F-22、F-35战机的碳纤维复合材料用量比例分别达到24%、36%,A350等大型民机占比更高达50%以上。波音787机体50%使用碳纤维后,不单省油20%,维修和运营成本也分别降低30%、10%。专家预测,一旦2020年碳纤维成本与铝合金持平,那么“碳纤维+新能源”可能是第二次汽车革命。仅2008-2014年全球碳纤维就暴增五成,据测算未来十年呈两位数增长,那么全球市场规模或超1.3万亿元。
 
碳纤维应用在空客A380客机上
 
三是超材料,是21世纪以来才出现的一类新材料。
它具备超乎自然的特殊功能,而这取决于人工设计的特殊结构。比如,光操纵材料就可以特定的纳米结构对光线进行散射,进而让物体隐形。自愈材料可以在无人干预下通过改造化学键和利用细菌来修复破损,当下海军舰船就以自愈混凝土防腐。显然,超材料可在人类设计下突破自身本性“魂不附体”,或将“一石激起千层浪”,单是扭曲光线的超材料就将引发光学革命。
 
四是可降解、可变形塑料,将启动二次塑料革命。
毕竟人类每三年生产近10亿吨塑料,其中一半被废弃,资源浪费不说,关键是大面积的环境污染与健康危害,无怪乎各国都发出“限塑令”了。为此,未来生物塑料将“脱胎换骨”,既能变形可再生,又无毒性可降解,以求生产时节能减排、使用时环境友好,进而走上不再依赖石油生产塑料的道路。
 
五是3D打印粉末材料,从工程塑料到陶瓷材料再到金属粉末,迎来全面爆发。
尤其伴随军工、医疗等越来越广泛的应用,2015-2020年复合增长或达24.4%。金属3D打印甚至越过研究与商业应用的“死亡谷”,有仗于微观结构的控制,即通过控制过程变量对材料在原子层面打印。比如记忆电阻、量子计算等都需要用到原子级定制材料,由此将为能源、化工、信息领域提供经济的材料解决方案。
 
六是4D打印超能材料,比3D打印增加了时间维度,可通过软件设定模型和时间自动变化形状和大小。
比如可记忆高分子材料等不是事先对材料编程,就是在水等催化剂作用下自我组装成型。试想,一个部件在太空中自组装成一个完整的卫星,而不需要电脑芯片或马达驱动,服装、建筑、航空产业等均将因此打开想象的翅膀。
 
由此可见,新材料是工业之基,亦是百业之本。就连亨德里克•贝克兰这个“塑料之父”都未料到,塑料会如此前所未有地改变社会,不单“飞入寻常百姓家”并短短百年内造就数万亿产业。
 
新材料的颠覆性显而易见,因为新材料改造的不是企业,而是整个行业;颠覆的不是生产经营,而是整个商业模式。虽然塑料因轻便、廉价等极大取代了铁器等,但正因有了塑料,才有了消费革命,收音机、计算机、合成纤维、一次性用具等才得以大量生产。
 
说到底,苹果颠覆诺基亚,不单是智能机对功能机的替代,更是材料革命的胜利,以致时尚创造需求,引无数果粉竞折腰。而从石油的工业经济到硅的信息时代,新材料的发现都让人类突破原有限制、引发文明发展的“临门飞跃”。
 
到如今,我们再次处于材料科学革命的边缘。仅为解决海量数据的保存和调取,一旦指甲大小新石英材料能保存万亿字节的信息,人类何愁存储器不够用?加之,量子元件等兴起,计算机的“改头换面”,无疑将让基于此的信息社会引发蝴蝶效应,进而真正改变世界。
正因新材料决定未来的工业基础,各国无不极大关注并付诸行动。
美国在克林顿时期就先后发布先进汽车材料计划、未来工业材料计划。单为推动纳米材料,小布什执政八年就投入百亿美元,而到奥巴马任期更加强了新材料研发。
 
欧盟也不甘示弱,从原材料行动计划到纳米技术战略,更以石墨烯旗舰计划野心勃勃。
 
对此,中国虽是后起之秀,但08年危机刚至,就祭出新材料等战略性新兴产业,到如今,从中国制造2025关注新材料技术路线,到新材料的“十三五规划”,中国在新材料上奋起直追。
 
加之,日本超级钢铁材料开发计划,德国“21世纪技术关键的新材料计划”等,新材料已是兵家必争之地,这恰恰也是经济危机逼出来的。
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因为谁能掌握未来新材料,谁就能在这场危机洗牌中脱颖而出。新材料俨然成为走出危机的先行指标。
 
只不过,正如人造塑料最早在1869年被合成,其产品却直到20世纪20年代才真正开始市场化,每一个新材料都需要时间证明它的潜力,尤其当前材料领域还处于实验科学范畴,想要商业化需要大量资本和时间的等待。
 
毕竟,新材料从理论可能到现实成品,越过这一临界已属不易,更别提进入应用领域,取代传统材料进而颠覆行业,势必引发冲突与争论。但也只有充分争论与严谨论证,才能加快新材料的研发与市场化。
 
这就不难预料,未来新材料一旦全面登台,引发产业革命促使新经济增长替代,那么届时所谓的危机也就被化解、超越了。
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