新时代的材料是什么?

接下来将定义材料的工业时代?在过去的几百年中,钢让位给油然后硅成为定义电力工业发展背后的信息。将它恢复能量,氢作为替代石油成为强有力的竞争者,或可再生能源会使锂电池未来发展的核心吗?还是其他材料一步进一步推动工业发展吗?这里有E&T的五个竞争者作为未来最有可能的候选人材料时代。

锂:一个高能量的选择

我们可能已经在未来材料时代,只是没有意识到它。成为杰出的锂材料电存储20年前。但是随着电动汽车和电网存储加入客户的列表,需要的数量将快速增长。在不到五年,锂的需求将至少增加一倍根据一些预测者,与供应几乎同步的开放新矿的矿物锂辉石。和锂的无情的进展似乎不可阻挡的,即使我们可能会看到巨大的变化在许多其他的材料,进入电池。

在锂电池负极呼吁钴、镍和锰。改变结果的流程管理无论领导下材料时代。研发是注意减少昂贵和麻烦的元素来源。钴列表的顶部。汽车制造商大众认为它将削减其未来电池钴含量在五年内从今天约12%至5%,并寻求开发无钴电池。

阳极不太可能改变。还有其他元素,可以做得更好比石墨,但它是很困难的,因为它使设计简单。理论上,硅是一种更好的材料,虽然净化需要大量的能量,有丰富的好处。但它遭受一个大问题,不影响碳那么严重:电极扩展时捕获的固态锂离子电池破裂。你可以避免通过使用复杂的化学鸡尾酒和纳米结构但这些增加制造成本。

锂本身不一定是理想的元素高密度电子存储。这个角色扮演的镉但患有被剧毒的缺点。另一个选择是锶,20倍比锂更丰富。但是锂远轻,一个至关重要的考虑产品等智能手机和电动汽车,我和便宜。

一个持续的问题,锂是其易燃性。今天的锂氧化物减少问题而不是完全避免它,因为如果高活性纯锂丝形式通过收费过高,氧气存在于细胞作为催化剂。硫是一个潜在的替代但遭受同样的问题像硅氧电极。它会导致阴极扩大获得锂离子。

与硅电极,一种选择是采取一个鸡尾酒电解液中的元素。最佳人选到目前为止涉及到相对稀有元素锗,这将很难获得大量工业和infrastructural-storage电池。但是替代品可能出现由于计算化学等技术,使氧硫一个可行的选择。

另一个因素,使得锂材料未来的地位岌岌可危,争夺能源储存来自燃料电池:这些可能会提供更大的能量密度比电池可以提供。对于那些,氢是一个有吸引力的选择。

氢:轻量级的选择

未来的所有可能的材料,氢经济转型,最大的潜力。然而,氢的问题是,它仅仅是一个现实的竞争者,如果它到达一个位置,它可以实现这一转变。

氢的未来角色取决于结构改变能源生产和存储方式。相比之下,锂的角色将不太重要的如果是燃料电池中流离失所的能源基础设施。但是锂仍将是一个重要的材料对许多其他应用程序。自己优点,氢是不引人注目的作为汽车的燃料。但通过可再生能源闭环系统的一部分,它将更容易承担基础设施所带来的变化和成本批发转换为氢。

氢的成功依赖于重组交通基础设施,目前支持今天的石油和methane-intensive能源系统,虽然重点将转向本地化生产和分配,而不是广泛的管道和油轮船队所需的石油。

最大的障碍之一,能源几乎完全基于可再生能源是能源储存要求。网格需要缓存足够的能量来渡过衰退风能或太阳能生产和能够支持短期峰值即使核能发电是包含在混合。电池存储似乎是显而易见的选择,但生产的成本可能会很高,需要辅以大型泵水力或机械飞轮系统。

运营商的太阳能和风力发电农场可以将多余的能量转移到电解和转储到附近的燃料电池服务从电网用电高峰或向经销商出售多余的气体作为燃料,将供应给车队的车辆。

氢提供了一个清洁替代存储,提供能源的额外的好处,可以更多的移动。按重量,氢的能量密度在140 mj /公斤。相比之下,2 mj /公斤为一个高效的锂离子电池。自然,有捕获氢。最大化它的实际能量密度,必须液化氢,大大增加生产和存储成本。一种选择是将气体存储在高度多孔矿物海绵,如氢化锰由新南威尔士大学的研究人员和兰开斯特大学。团队声称他们的系统可以使其可行的存储在一辆汽车的5公斤氢气需要支持的驾驶里程为500公里。

2015年,一群来自斯坦福大学的研究人员,帝国理工学院和西华盛顿大学创建元素氢通过电解的成本分析和存储在一个场景所需的能源来自可再生能源。创建和使用的往返效率低于氢的电化学电池。但他们计算成本会更低,因为生命设备工作明显更便宜和更少的环境破坏。挡路的是社会的变化使这种转换成为可能。

铜:第二个青铜时代

金属锅和实现的主要成分,这预示着文明的开端在青铜时代,铜可以准备感谢复出,它爬上了其他竞争者来自四面八方。

很难找到一个能源生产或用能产品,不使用铜或其他。和这些应用程序并不一定局限于电力。虽然比钻石低效率的5倍,铜作为一种有效的热导体。其低得多的成本就是铜为什么如此流行的中高档集成电路的散热片。

铜甚至可能找个地方的基础设施提供氢。铜、铝、合金不容易受到攻击的氢气和其他常见的材料,这使得管道一个不错的选择,尽管它在氧存在时遇到问题。

铜的很多应用程序的核心其弱点作为未来的基础材料。有可能是不够的。与锂,有潜在问题的社会变得越来越依赖于单个元素。尽管它是一个更丰富的地壳中发现的金属,一个因素使早期人类文明如此重要,支持八十亿人口所需的数量和他们的要求电气化可以压倒我们我和回收利用的能力。

一份报告,检查四个使用场景对铜由耶鲁大学工业生态学中心的研究人员在2015年到2050年估计很容易供不应求。在这段时间里,每年铜使用几乎四倍。

更大的使用铜带来的一个大问题是,服务需求,矿商将不得不搬到网站较低品位的矿石,这种转变将增加能源使用和二氧化碳萃取技术本身没有变化,生产。这是一种讽刺,因为增加铜的使用目的是使社会不容易释放温室气体。

与许多所需的其他金属,铜是很难替代。的确,一个因素可能会增加需求,它取代其他,更昂贵的元素非常好。相比这是一个小规模的例子所需高压,长距离布线,但铜逐渐取代黄金债券导线用于连接芯片包。同时,铜很可能开始取代银在光伏电池板。

这些和类似的应用程序中,唯一现实的选择可能是纳米材料,如石墨烯,这是今天更昂贵的制造和难以使用。但是碳也会带来更大的丰富和容易采购的优势。突破可制造性会显著改变这一局面。

元素周期表:信息就是力量

这可能是一种逃避,但我们可以看接下来将推动材料时代错误的方式。而不是依靠一个关键材料,也许我们需要一个更好的理解所有的元素我们可以找到新颖的方式结合。之间有一个恒张力确定工作的完美的元素和一个都足够好,也容易。在当前美国和中国之间的贸易战争,一个潜在的武器是芯片制造所需的稀土和磁学。

中国目前生产世界上80%的稀土,包括元素,如使用的钕磁铁和所需的铪晶体管在先进的硅晶片。即使没有威胁贸易,这些元素很难我的安全,但更好的理解原子在晶体和分子之间的相互作用可以解锁更多的平凡的元素的力量。

例如,一个来自杜克大学和加州大学圣地亚哥分校的团队认为障碍在晶体可以创建金属碳化物硬度比钻石但更便宜的生产综合。演习使用碳化钨位,因为他们往往是强,耐热,但它可能会更加努力去材料。杜克大学的研究人员使用计算机模拟电子之间的相互作用在各种随机生成的格创建一个名单,然后有最好的候选人和一些控制样品在实验室。他们最近的努力带来了五种金属一起绕舌中碳合金:钽铌钒钼钨硬质合金。

这种工作可以利用规模更大。美国国家标准与技术研究所的材料基因组计划开发一个数据库的材料特性,研究人员可以养活机器学习算法来确定小说的替代品。

碳

三十亿年来没有比碳元素在地球上有更大的影响力。它不仅是丰富的,但很难想象更多功能的一个元素。因此,它成为地球上生命的核心组成部分。

从第一次出现在十亿年,碳基生命设法改变地球大气层的成分。今天,它拥有一个以不同的方式影响大气和气候。但碳似乎将进入一个新的阶段,研究其结构打开未知的属性,其中一些表面才刚刚开始。

化学的东西灌输给学生在早期是碳总是形成四个稳定的债券和碳原子相互结合。隔壁的邻居硅几乎以同样的方式表现,但这是远远不够的。相反,它只与氧形成稳定的聚合物形成有用但多才多艺的硅胶少得多。

碳的价值来自于大量的品种在如何形成这些债券,由于在不同条件下的电子轨道重组。这些配置迫使债券在不同的方向。他们从四面体sp3的配置形式从alchohol钻石通过石墨烯的扁平的sp2 sp1的高度强调棒状配置与高活性分子,如乙炔。

有机分子在各种配置混合在一起但化学家有进一步向西推进这些混合物,揭示晶体形式的新属性,所有三个对称组合在一个物质,比石墨烯和碳纳米管可能更进一步,主要基于sp2碳,可以作为潜在的替代硅和铜在电子电路。

Xi朱南洋理工大学的和最小王从中国西南大学开发了一个混合了所有三种形式的碳的同素异形体16-atom细胞。这是一个不仅作为半导体晶体。在其矩阵也有大洞,容易吸收气体分子。CY碳晶体比一个更常规的晶体合成于1997年由安德烈骑在堪培拉的澳大利亚国立大学工作时。他创建了一个“nanofoam”由集群的碳原子在一个松散的3 d网络。一升这种nanofoam重量不到20 g。这个nanofoam是一个可怜的电导体,但吸引磁铁,所以提供了另一个潜在的可利用的属性的组合。

棘手的部分是使这些结构以低成本与他们经常需要的精确程度的控制。另一种形式的生产需要解锁这些材料的潜力。但一个非常有效的方法已经被使用。

自然,过去几千万年漫长岁月,提供了另一种自顶向下的建设,人类迄今所青睐。在过去的十年中,合成生物学已成为一门学科,为人类提供了一种管理自底向上流程合成几乎任意复杂的分子和结构。

生活的一个持久的秘密就是一个细胞,提供足够的食物,可以繁殖并创建高度复杂的形式,如树叶和树枝或器官和四肢。通知每个单元的代码应该采取给予不同的环境信号显然是存储细胞内DNA的形式。但决定发展的影响仍然在当前科学的理解之外。

在短期内,这并不重要。大多数合成生物学研究人员的野心更脚踏实地,尽管大胆的言论,其中的一些。他们大多是针对原材料的生产,可以纳入传统制造业。蛋白质仅依赖于两个主要结构形式还产生了从化学催化剂的牙齿和爪子。提供范围广泛的材料是相当微妙的重组DNA。

例如,用蜘蛛丝。它的重量和大小,这是一个令人难以置信的强大的材料,可以给其他属性,像蜘蛛那样,如高度的粘性。工业上使用一个原因还没有到目前为止是,不像蚕,蜘蛛不反应良好农业:领土生物太倾向于吃。

细菌是非常容易的农场,他们更容易改变基因以可预测的方式。但即使他们现在经常令人惊讶的问题需要处理。养殖蜘蛛丝是第一个项目强调合成生物学的承诺,但它很快就出现了问题,例证研究人员必须克服的挑战使碳基制造更实用。

将外源基因导入到物种有一个很大的问题是,他们可以很容易地拒绝。如果基因产生的化学物质是有毒的,进化压力会产生细菌,不表达的基因或简单地删除冒犯的DNA序列。细菌改变让蜘蛛丝提出了一个更加微妙的问题。在理想的情况下,所需的基因是一个漫长的,重复序列产生类似冗长的蛋白质链。活细菌不接受这种重复序列,相反,只会将更短的DNA链。

而不是改变细菌进一步试图阻止机制,导致所需的DNA被删除,来自圣路易斯华盛顿大学的研究小组开发了一种稍微不同的配方自然会联系在一起的蜘蛛丝蛋白质的短的肿块,在这一过程中,创建链,在那些由蜘蛛。

随着它的发展,合成生物学最有可能不会保持一个单一的学科。一些研究者青睐的再造现有生物——主要是细菌和简单的生物——农业。其他人看到生物的长期目标是建立激励系统,在增值税的水平,可能使用化学物质在自然界中是不存在的。日本和美国的研究人员创造了基于替代化学合成类似物的DNA,包括一个基于蛋白质的氨基酸而不是DNA核酸,这可能带来更大的灵活性和苛刻的工业环境中生存的能力。最终,这些可以被用来创建nanofoams和其他复杂的结构比今天更廉价的合成化学。

由于合成生物学的结合更好地理解和结构属性的元素,碳材料科学提供了一个长期的未来:那么多锂或铜。但它提供的多样性使其成为最强的竞争者和多样化发展。欢迎来到碳时代。