材料是人类生产生活的物质基础。在历史长河中，一种新 材料的出现和利用，常常能够促进社会生产力的发展，引起时代的变迁，推动人类文明的进步。一些对人类历史起到举足轻重作用的材料，甚至被历史学家作为划分 时代的重要标志。进入21世纪，材料更是被视为现代科学技术的支柱之一。从某种意义上说，未来世界会变成什么样，人们将过上怎样的生活，都和材料的发展有 着密切的关系。下面，我们来看看即将投入使用并可能改变生活的10大“奇材”。

    从外观上看，我们的智能手机似乎挺灵巧可爱的，但承载信息传输的电子在微处理器的芯片内跑得并不那么有条不紊。如果你的手机充电几小时后动不动就死机，或是热得烫手，问题就出在电子的杂乱运动。每次电子互相碰撞一下都会产生热。电子器件内纷繁复杂的电路里，电子产生的废热必须及时地、迅速地传导出去，否则就会损伤电路。但在手机里这几乎不可能做到，电脑内也一样。废热成了影响手机和电脑芯片工作效率的主要问题。
    如果有一种材料在传导电子的时候没有任何阻力，不产生任何热，也就完全没有上述烦恼了。张首晟教授于2007年在世界上首次合成了一类叫拓扑绝缘体的奇特材料：内部是绝缘材料，表面却能导电，而且电子可以完全自由移动。 因为电子只是从表面的原子上传导，产生了一种电子-自旋耦合量子相互作用效应，消除了电子移动时不断掉头的现象，也免除了电子从材料内部“打洞”前进的困 难。与现有的电子产品中电子的移动相比，拓扑绝缘体上的电子传导就像汽车从拥挤的街道驶上高速公路。
    不过，现在要大量做出真正的单层锡原子膜产品为时尚早，虽然很多人非常乐观，但实际上都是纸上谈兵。假如单层锡原子膜能做出来，实现表面100%导电效率，就会迅速应用于各种电子产品。张首晟教授说：“这一天，乐观地估计要5年时间，客观地估计要10年时间。

    现在人类已有多种途径储存信息。但是，信息存在电脑硬盘里很容易丢失，存在软盘里又很容易因高温而损坏；即使这些硬盘或软盘保存良好，也经不起几千次重复擦写。即使把信息储存于DVD上且保存良好，几十年后信息也会因为载体材料氧化而丢失。
    长期而安全地储存信息，如今关乎每个人的工作与生活。虽然目前我们的方法远不及动画片中超人的记忆晶体碎片，但科学家正试图彻底改变这一状况。     记忆玻璃技术投入实际应用后，这些问题将不再困扰人们，警方可以在1个“指甲”内追踪案犯若干年前的行踪。此外，气象台可以在“指甲”内追踪地球上的风云 变幻，天文学家可以在“指甲”内追踪日月星辉、宇宙大爆炸。未来的人类乃至外星人也能借助这种技术了解我们这几代人的生活状态和文明成果。

    在未来的很多年间，人类还会使用塑料，塑料还会在这个世界存在。它们有极强的稳定性，一时半会也烂不掉，地球上已很难找到哪个地方没有它们的踪迹。遥远的海洋漩涡中卷集了塑料垃圾；深海洋底沉积着大量塑料垃圾；就连喜马拉雅山脉海拔8000米以上的“死亡地带”也有塑料垃圾，多到不得不请求登山探险队员每 人每次义务清理数千克的地步。
    就在大家几近灰心的时候，甲壳素闪现了希望的光芒。美国哈佛大学仿生工程研究所的英格伯和弗南德兹考虑，用植物纤维素替代塑料难以让人满意，用甲壳素替代塑料的效果又怎样呢？甲壳素广泛存在于虾、蟹、昆虫等动物的外壳中，是地球上含量第二丰富的天然有机高分子。心动不如行动，他们将甲壳素与蜘蛛丝蛋白结合，制成了不溶于水的纤维状蛋白质材料。我们姑且叫它虾丝吧。
    虾丝不会燃烧，因而可以用作阻燃剂。此外，它还有很多吸引人的特点，一是它的坚韧度胜过其原材料甲壳素，而且可通过调节含水量而调高或调低；二是它的可塑性堪比铝合金，容易铸模成型；三是它具有可降解性，一旦用它制作的东西我们不想要了，可以随便丢到潮湿的地方，要不了几星期，微生物就能将其变成一堆肥料。
    虾丝很有弹性，其优良的特性使其在很多方面能够代替塑料，甚至可以用来生产薄薄的塑料袋。虾丝一切都很理想，唯一缺点就是，用它生产的尿布会让几个世纪后的考古学家大失所望，不过，做任何事情都众口难调，不是吗？

    目前绝大多数自我修复高分子材料只能修复很小的裂纹或凹痕，宽度大概100微米，相当于一根头发丝的直径。2014年初，怀特的研究团队宣布发明了一种可 修复3厘米宽裂痕的材料。这种材料内布满很细的管道，里面含有化学前体物质：一种黏性物质能迅速凝结而堵住裂缝，弹性高分子物质则起到加固作用。目前这种材料实现大规模生产还有很多路要走。不过，只要科学家努把力，再加上些研究经费，10年内有可能造出第一种实用的修复大尺寸裂纹的自我修复材料。
    研究人员把更长远的目标锁定在能够完全自我再生的材料上。怀特说：“人的骨头不断在更新，7年全部更新一遍。想象一下，如果能造出一个可以自我更新的工程结构件，将是何等神奇！”     怀特考虑，这需要一些智能的、可逆的化学反应帮忙。在这些化学反应中，一部分高分子聚合物的化学键断裂，而另一部分则在重建，始终处于破坏—重建—加固的 动态过程中。实现这一过程，则需要智能材料的结构中有适当的处于亚稳态的起始物质。这样才能制造出像骨头那样可以代谢的高分子材料。想使用如此完美的材料，不得不说为时尚早。“还有很多科学上的硬骨头要啃。”怀特鼓励大家，“但我们要有远大的梦想。”

    早在20世纪30年代，一位名叫克斯提尔的美国化学家制造了当时世界上最轻的材料。他的绝技是去除硅胶溶液中的液体，使之凝固成极细而密布纳米空泡的骨架，做成含99%空气的超轻材料。这种超轻硅胶材料看上去像是凝固的烟雾，因而克斯提尔称之为“气凝胶”。
    另有一类新型气凝胶具有革命性的应用前景。它的原料不是硅胶或高分子，而是金属。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家2005年偶然发现一种制备金属气凝 胶的简便方法：点燃一些过渡金属化合物，燃烧之后就能神奇地形成如海绵一样的新东西。尽管金属气凝胶不适合作为隔音、隔热设备，但它拥有极高的表面积——每克金属气凝胶的表面积可达3000平方米，而且金属气凝胶有导电性，还有很好的化学反应活性。仅这几项特性就有可能帮助我们降低能源消耗、改善环境。比如，铁和镍是很好的化学催化剂，但效率不高，把它们做成气凝胶后可以替代效率很高但价格高昂的金属铂，在下一代工业生产中充分发挥催化作用，而不必消耗大量能源。

    热电材料正是能干这种活的材料，它能引导热量流向自己并发电。在汽车排气管周围捆上热电材料，所发的电可以支持车内的电器设备运行；把热电材料配置在冰箱压缩机处，用冰箱散发的热发电可以支持冰箱的运行；把热电材料配置在太阳能电池上，太阳光所有谱段产生的热都可以被吸收发电，而不像目前的太阳能电池只能 利用1~2个谱段。
    现在，热电材料的研究领域出现了一颗新星——方钴矿，它有望在多个方面大显其能。方钴矿材料家族的化合物中，铈或镱等稀有金属的原子，可在钴原子和锑原子 组成的笼状结构周围自由穿梭，构成一种特别擅长捕集热量的独特结构，使电子通过笼状结构产生电流。而且，捕获的热量越多，产生的电流越大。
    近来的研究发现，把方钴矿材料的笼状结构扭一扭，可以耐更高温度吸热发电，可在550℃条件下工作，差不多可以吸收轧钢厂的废热发电。与此同时，其他结构奇特的化合物也有很好的热电效应，例如，有的能在较低温度下发电。

    德国图宾根大学的科学家考虑，可否研制人工骨髓用于白血病患者的移植呢？这一想法的关键是模仿造血干细胞生存的复杂微环境，涉及特殊材料和特殊结构。骨髓中造血区域的骨头高度疏松，类似海绵，这种环境不仅调节造血干细胞和骨髓细胞，而且能实现多种类型细胞之间信号物质的高效交换。因此，研制人工骨髓既要模仿骨髓的硬环境，又要模仿其他细胞（造血干细胞之外的）组成的软环境。
    研究人员在乙二醇液体中加入很细的食盐，让乙二醇聚合成半软半硬的状态，再放入水中使食盐溶解，留下食盐颗粒原来所占的空间，模仿出多孔如海绵的松质骨结构。为了让这个人工松质骨更容易吸附细胞，他们在聚乙二醇上连接特殊的氨基酸片段，模拟细胞与松质骨间的界面。最后，将造血干细胞和骨髓干细胞混合，一起种入人工松质骨，组装成人工骨髓。骨髓干细胞及其后代能分泌多种化学物质，构成造血干细胞需要的化学微环境。经过10天培养，一切如愿，造血干细胞数量和 比例大大提升，证明人工骨髓顺利研制成功。
    这种人工骨髓不仅为白血病的治疗提供新思路、新希望，也为揭示天然骨髓的一系列特性奠定了技术基础。

    摩擦起电与静电是日常生活中非常普遍的现象，但能量很微弱，也很难收集和利用，成为人们忽略的一种能源形式。不过现在不同了，普通人随手放电很可能成为实现，而且电的来源就是摩擦。
    这样的摩擦式纳米电源已经可以为体积很小的微-纳电子器件供电，可使这样的器件结构变简单，生产工艺简化，制造成本下降，使用寿命延长，利于大规模工业化生产与实际应用。
    日常生活中存在很多低频率的来回运动或振动，这些低频机械能能否转化为电能呢？科学家开发出以铝-聚四氟乙烯塑料为电极的纳米电源，在2~200赫之间都可发电。频率为14.5赫的机械运动最高输出电压达287.4伏，大大高于日常用电电压220伏的标准。北京大学的张海霞教授进一步将电极做成特殊的“三 明治”结构，摩擦频率在5赫时，电压甚至可达320伏！

    世界人口越来越多，城市越变越大，我们的生活方式将不得不越来越“高层化”。未来的摩天大楼很可能不要用常规建筑材料：生产能耗很大的钢筋和水泥。
    美国一家著名的建筑公司研究认为，用竹木为主要材料建造一幢125米高的摩天大楼，在技术上完全可行，特别是竹材制成竹纤维之后，只要辅以高强度的水泥连接即可。经测算，这种建筑的能耗和温室气体排放量（碳足迹）只是钢筋混凝土建筑的25%~40%。
    除了建筑，竹木材在其他领域也大有用武之地。竹木材及其衍生品可用于生产生物燃料，也有人将其做成柔软又便宜的竹纤维制品，替代硅制造电子产品——或许未来的电脑将拥有竹纤维做的芯片。
    看来，所谓传统与未来或许只有一步之遥。只要有21世纪的知识与眼光就不难推测，传统材料经过一番改造就能变身为未来的材料。

    文字发明以后，人类将信息记录在动物的骨头上，形成甲骨文。我们现在还能够读到距今3400—3100年前的甲骨文文献。现在使用的汉字由甲骨文演变而来，我们能够借助词典阅读甲骨文，甚至有人模仿甲骨文的用笔、结构等练习书法。
    甲骨文是镌刻或写在龟甲和兽骨上的文字。有趣的是，龟甲和兽骨的化学成分和分子结构与人体骨骼相同，都是羟基磷灰石。人类的活动常与事故和疾病相伴。为修复人体因各种事故、病损（骨肿瘤切除）、脱落（牙齿）所造成的骨缺损，近20年来全世界有大量科学家投入研究，人工合成、修饰、加工羟基磷灰石，期望能解除伤者和患者的痛苦。由于天然骨的羟基磷灰石有特殊的纳米结构，科学家需要合成纳米级羟基磷灰石。在此基础上，才能仿生制备有活性的人工骨，帮助骨骼迅速 恢复健康。
    要给后世，比如3000年后的人类，留下今人辉煌的文明，恐怕还是把信息书写于现代甲骨——柔软、耐火、永远洁白的羟基磷灰石纸上更好，这样每一位普通人不用借助“古电脑”即可浏览、阅读、思考。

（以上内容为摘抄，原文作者翟万银，博士，现为中国科学院上海硅酸盐研究所生物材料与组织工程研究中心副研究员，《无机材料学报》编辑部副主任。）