■李家俊

南开中学邀请我来做报告，我想讲讲我熟悉的领域——材料科学。

先从我们身边的事情讲起。大家都知道乔布斯的产品风靡世界，他的iPhone和iPad是很多年轻人不离身的工具。这两个设备比较吸引人的是它们的触摸屏。为什么手指触摸能够写入信息？触摸屏是个透明的导电玻璃，手指接触的时候人体电场与导电玻璃形成一个耦合电容，电容在高频电流下可以导电，手指从接触点吸走了一个很小的电流，电流通过屏幕四个角上的电极流出，流经这四个电极的电流与触点的距离是成正比的，因此控制器通过对这四个电流比例的精确计算，定位手指的位置。为什么iPhone和iPad这么精确？原因就在这里。

触摸屏的核心材料叫ITO。触摸屏看着很薄，实际有五层，表面是保护层，保护层下面是黏合层，黏合层下面是电极层，电极层下面是玻璃基板，最下面是LCD的显示屏。我们看到的实际就是显示屏，里面的关键材料是ITO，也就是透明导电玻璃。ITO是铟和锡的氧化物，由90%的三氧化二铟和10%的二氧化锡组成。这种材料突破了透明材料不导电、导电材料不透明的难题。早在1907年，Badeker就发现金属镉薄膜氧化后具有透明和导电的特性，之后它被首次用于轰炸机玻璃的除雾，那时轰炸机都是靠人导航，靠望远镜寻找目标，所以这种材料的应用显得极为重要。目前ITO主要用于触摸屏和太阳能电池的制造。

我们生活中有很多新材料，比如计算机的液晶LED是发光的半导体，计算机的核心材料是硅材料。另外比如用于疾病诊断的核磁共振成像仪，采用超导材料产生很强大的磁场，形成高水平、高分辨率的核磁共振。超级赛车，也就是全纤维的复合材料赛车，车身全部是玻璃纤维，车底座全部是由高密碳纤维组成的。这样的赛车重量轻、速度快、省油、安全，翻几个个儿驾驶员的安全也没有问题。这些都是新材料的例子。下面我讲几个问题。

第一，材料为什么重要。材料是人类世界发展的支柱，是人类认识世界、改造世界的载体、工具，或者说材料决定了人类文明的发展程度。远古的新石器、旧石器时代，那时的人类只能靠石头加工工具，材料是石头。到了青铜器时代，人类文明有了较大的进步，封建社会的主要标志是青铜器的使用，随后是铁器时代，现代则进入电子材料时代。电子材料主要是硅，有了硅才有了现在的信息时代，而将来碳有可能成为最重要的材料。在青铜器时代、铁器时代，中国在世界上都处于领先地位，所以创造了悠久的文明，比欧美早得多。两次工业革命都以新材料的发明和广泛应用为先导。18世纪第一次工业革命，由于制钢工业的发展开启了钢铁时代；20世纪中叶以来的第二次工业革命，单晶硅的产生使人类进入全新的信息时代。所以说材料是人类历史的先导，它与能源和信息并称为人类文明的三大支柱。但能源是在人类进入工业社会后才成为支柱，信息也只有在人类进入信息社会后才能发挥支柱作用。

第二，材料怎样分类。按组成与结构可以分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料。按性能可以划分为结构材料与功能材料。桌子、地面、楼等所有结构上使用到的能承受力学载荷的材料都属于结构材料；功能材料则是指具有特殊的声、光、电、磁、热等物理性能或化学性能的材料。目前功能材料是研究的热点，但结构材料是人类永恒的主题。材料还可以按照用途分类，有电子信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等等。

第三，材料学科的发展和材料工程的概念。材料学科成立是近几十年的事，在历史上材料学科一直都是其他学科的分支。中国现存最早的材料研究记录，根据我的初步了解是北洋大学（天津大学的前身）土木工程系里的材料研究所留下的。北洋大学于1895年成立，初期主要有土木工程、水利工程、机械、矿业和法律等中国工业起步阶段非常急需的学科。无论什么专业都需要材料。材料科学与工程这一概念是1957年提出来的。俄罗斯人造卫星上天以后，美国压力很大，总结出追赶的关键在于材料。于是美国的教授们提出了“材料科学”这一概念，被世界所广泛接受。20世纪20年代，固体物理和材料这两个学科是分离的，30年代逐渐融合，60年代材料工程与固体物理有了交叉，直到70年代才真正形成材料科学与工程这门学科。天津大学是中国最早开设材料学科的大学之一，其材料学科反映了中国材料学科的发展。它的金属材料专业成立于1958年，无机非金属材料专业是1952年成立的，高分子材料建于1958年，腐蚀与防护专业是1962年成立的，这四个专业在1985年组成材料系，是中国最早的材料系之一。1997年成立材料科学与工程学院，我很荣幸担任这个学院的首任院长。现在的材料科学与工程学院有材料学、材料加工、材料物理和化学三个二级学科。天津大学的材料科学与工程一级学科是国家重点学科。

第四，是我今天报告的主要内容，介绍世界上新材料的发展趋势，包括新能源材料、环境材料、超导材料、结构材料、航空发动机用高温材料和纳米材料。

先说说新能源材料。能源危机、环境污染是人类社会面临的重要课题。煤炭的储量估计能供人类使用200到500年，石油是40到100年，天然气能使用170年。这些能源的储量是有限的，更重要的是使用这些能源对地球的空气污染非常严重。据美国能源研究院的统计，现在可再生能源占能源消费总量的比例非常小，预测到2030年可能达到30%，到2050年也许能达到50%。目前主要应用的还是化石能源，石油大概占35%，煤占了接近25%，天然气占20%，核能占6%。而可再生能源应用比例非常低，比如太阳能，现在只占0.5%。而所有可再生能源应用技术的突破点都在于新材料的运用，比如由于材料研究方面的突破，薄膜太阳能电池的使用在2006年时出现井喷式的增长，到了2010年左右，进入了一个比较稳定的增长时期。

太阳能电池经历了四个发展阶段。第一代是单晶硅和多晶硅，第二代是薄膜太阳能电池，在这个领域南开大学做得非常成功，他们的项目建设在天津港保税区。第三代是染料敏化太阳能电池，这种电池具有很好的发展前景。我要重点介绍一下第四代，就是量子点材料的太阳能电池，这种电池可能预示着未来太阳能转换领域的重大突破。所有的太阳能电池研究，目的都在于提高太阳能电池的效率、降低成本、确保使用的稳定性，建立一个合理的平衡。根据美国科学家进行的理论计算，目前太阳能电池的转化率存在一个理论极限。硅的太阳能电池光电转化效率最高只有31%，实验室里能达到百分之二十几，但真正使用中能达到百分之十几就非常好了。量子点是一种新的光敏材料，一种半导体材料。半导体材料的尺寸小到一定程度，这种材料就叫做量子点材料。它有一个特性，一个光子可以使量子点产生2～3个电子，至少可以有2～3倍的电量产生。量子点可大可小，根据自身大小量子点能吸收的光波也是不一样的，所以它的光波选择范围很宽。这是天津大学一位名叫杜希文的年轻教授所做的研究。他研发了海绵状的量子点材料，比传统量子点材料的电流密度提高三倍。这篇文章刊登在一个著名的材料化学杂志上，并被选为封面论文和研究亮点。杜教授经过进一步工作，把这个量子点材料做成了蜂窝状结构，比传统结构的光生电流提高18倍，当然这离工业化使用还有一定的距离。

再讲一讲光化学材料。我们知道万物生长靠太阳，绿色植物吸收光能转变成化学能，化学能以糖的形式储存在植物里。食草动物吃植物，然后食肉动物吃食草动物，这样就形成了食物链。实际上所有的化学能量都是由光合作用产生的。所以科学家就设想，能不能利用光合作用的原理进行人工光合成，用以制备太阳能燃料。这是科学家长期以来追求的一个梦想，也是目前世界上最先进的一个研究方向。这里要提到美国现任能源部部长、诺贝尔奖获得者、著名的原子物理学家朱棣文。朱棣文2010年访问天津大学并发表演讲。朱棣文为什么会来到天津大学呢？因为他的外祖父李树田是北洋大学时期的一位校长，他是回来寻根的。他领导的美国能源部倡导成立了美国的能源创新中心，通过组建多学科高度合作团队，采取与众不同的途径，优先解决人工光合成制造太阳能燃料所涉及的技术挑战。其中重要技术之一就是半导体光催化。这项技术是利用半导体材料和太阳光把水分解成氢和氧。另外，光催化还可以把二氧化碳还原为碳氢化合物，即太阳能燃料。天津大学也有课题组在做上述前沿领域的相关研究工作。我们都知道“减排”就是减少二氧化碳的排放。对这个令人头疼的问题人类采取了很多办法，有人建议利用大的地下坑道捕获二氧化碳进行深埋。实际上，如果采用光催化还原的技术就可以把二氧化碳变成甲烷等高附加值的燃料及其他化学品。所以说这是一项可以变废为宝的神奇技术。

再讲一下吸波材料，也就是现在说的隐身材料。大家知道海湾战争中美国的F-117A创造了隐形战机“无法被发现和击中”的“神话”：42架F-117A出动了近1300架次，投弹2000多吨，轰炸了战略目标清单中40%以上的目标，其自身却无一损失。伊拉克尽管拥有相当数量的雷达，却探测不到飞机在哪里。F-117A隐形战机就采用了当时最先进的隐身材料。科索沃战争后美国很紧张，认为这个技术被其他国家包括中国拿走了。F-117A在美国本土坠落的时候，美国联邦调查局（FBI）封锁了现场，不允许任何材料的流失。隐形飞机、坦克、舰船，都是依靠红外隐身、迷彩、激光隐身、雷达隐身、声隐身等隐形材料和隐形结构设计达到隐形目的的。隐身材料吸收雷达波的原理为：雷达波发出以后，材料吸收了雷达波并转变成热能散发掉，这样就无雷达波返回，在雷达屏幕上就没有信号。我在十几年前做过吸波材料的研究。吸波材料在日常生活中也有广泛的应用，如孕妇穿的防辐射服，能够阻挡各种电子设备发出的电磁波。

下面谈谈超导材料。《阿凡达》是风靡一时的美国大片，电影中哈利路亚山为什么能够悬浮在空中呢？电影中人类为什么要去占领潘多拉星球呢？其实这一切都源于超导，因为潘多拉星球有人类梦寐以求的室温超导材料。正像电影中描述的那样，如果能够找到室温超导材料，足以引发一场新的产业革命，给世界经济带来新的增长点。超导材料为什么有如此重要的作用？这要从它的原理和基本特性说起。超导现象是指当材料低于某一个温度时，电阻突然变为零。汞是第一个被发现的超导材料，其超导转变温度仅有4.15K，也就是接近绝对零度。目前超导转变温度最高可达160K，相当于零下113度，已经具有比较广阔的应用前景。零电阻的主要用途是输电电缆。云南普吉有个试验站，是我国第一条超导线路的示范线，我参加了这个线的落成剪彩，是由天大的校友主持的。超导电缆输电能力是常规铜电缆的十倍。超导材料还具有完全抗磁性。将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于完全抗磁性，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。这就是电影《阿凡达》中那些大大小小的矿山悬浮在空中的原因。现实生活中，利用这种磁悬浮效应已经制成高速超导磁悬浮列车，其速度超过500公里/小时。超导材料的另一个效应叫约瑟夫效应，这种效应在材料中的运用也非常广泛。约瑟夫效应是指在两块超导体中间放置绝缘层会产生量子隧道效应，电流会穿过绝缘体。超导体两边是零电压时，会产生直流超导电流；超导体两边有一定电压时，则会产生交流超导电流。若加一个与电流垂直的磁场，则超导电流随磁场的变化规律就如光学中的衍射现象一样，电流对磁场的变化将变得极其敏感。据此，可做成超导磁力仪，探测磁场的微弱变化，在生物磁性测量、寻找矿藏等领域发挥巨大的作用。

在超导领域的研究与应用方面曾有五位科学家获得过诺贝尔奖。很多国家对超导非常重视，在超导研究领域投入很大力量。美国能源部认为超导技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备。中国也将在2020至2050年推广运用超导技术。天津石各庄变电站是当今世界上容量最大的超导限流器，是天津大学校友研发的，也是超导材料的重要产业化应用。未来十年是超导市场发展和超导材料产业化的十年，实现室温超导是全人类的梦想。

再讲一讲生物材料的开发及应用。像陶瓷、医用金属合金、医用高分子材料、生物衍生和仿生材料是当今研究的重点和热点，天津大学在这方面的研究也很活跃，有些研究成果在世界上处于领先地位或者非常有影响力。实际上很多具有特殊性能的生物材料就在我们身边，等待我们发掘。比如生活中常见的蜘蛛丝就是一种优异的生物材料。大家对于电影《蜘蛛侠》应该都比较熟悉，“蜘蛛侠”之所以有那么高的本领，就是因为蜘蛛丝。蜘蛛丝的强度是钢丝的5倍，并且非常轻巧有弹性。此外蜘蛛网有个特点，就是局部破损后可以保持整体的完整性，所以说蜘蛛网是一种非常好的智能材料。曾有科学家从材料结构学的角度分析蜘蛛网破损的机制，这篇文章发表在世界上最顶级的科学杂志《自然》（Nature）上。他们从力学角度对蜘蛛网的受力行为及破损机制进行了透彻的分析，为后期的材料开发奠定了理论基础。蜘蛛网究竟是由什么材料构成，才使其具有如此特异的性能呢？蛛丝是从蜘蛛的腹部吐出来的，蜘蛛的腹部有很多喷头，从多个喷头射出的蛛丝最后组成一束蛛丝，所以我们看到的蜘蛛丝其实不是一根而是一束。而这一束蜘蛛丝实际上是一个壳核结构，内部是纤维核，核内由一束蛛丝组成，其结构非常复杂。蛛丝属于一种常见的生物材料，科学家通过对它构成的解析，发现蛛丝在受到外力冲击的时候，它的蛋白质结构会发生转变，使其受到的外界冲击力降到最低，这就是它能进行智能调节的原理。简单而言，蜘蛛丝的特异功能实际上是通过氨基酸的蛋白结构变化来实现的。

正是因为蜘蛛丝具有如此优异的性能，所以科学家希望人工合成仿蛛丝材料，比如利用高分子材料静电纺丝技术制备人工蛛丝。另外一个方法更聪明，也更具有挑战性，就是运用转基因技术制造人工蜘蛛丝。大家知道，蚕可以吐丝，而且温顺好养。科学家通过对蜘蛛基因的深入研究，已经明确了调节蜘蛛丝蛋白的基因，并成功地将这个基因转入到蚕中。这样，转基因蚕吐出来的丝结成的蚕茧就有蜘蛛丝的独特性能。目前，该项研究已经成功完成实验室研发阶段。将来我们很可能通过上述两个途径大量生产人造蛛丝，进而利用蛛丝的韧性好、安全性高、生物相容性好及可降解等优点，实现其在工业、航空航天及医学等领域的潜在应用价值。

中国要提高飞机发动机的研发水平，关键要解决材料问题，所以飞机发动机的研发可能会列入国家重大科技专项。实际上，我国很早就在研究航空发动机，1934年北洋大学已经研制成功中国第一台飞机发动机。航空发动机主要采用金属材料和陶瓷材料。飞机涡轮发动机的主要结构是叶片。叶片是高温材料，表面有一层陶瓷层，耐磨，耐高温，这个陶瓷是不能掉的，掉一小块就可能酿成重大安全事故。这是一个技术难题。天津大学在这方面做过大量卓有成效的工作。天津大学校友、兼职教授师昌旭先生是国家最高科学技术奖获得者。他为我国航空发动机用高温合金的研发做出过重大贡献。

最后讲的材料是纳米材料。2010年诺贝尔物理奖的获得者，一位叫安德烈·海姆，另一位叫康斯坦丁·诺沃肖洛夫，他们在2004年发现了石墨烯，2010年获得诺贝尔奖。这是诺贝尔奖历史上从成果公布到获奖间隔时间最短的一次，仅用了6年的时间。很多诺贝尔奖都是成果公布后经过几十年后才获得的。石墨烯是世界上最薄但最坚硬的纳米材料，实际上它是由碳原子组成的纸状平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。关于它的发现有一个传说，是海姆自己讲的故事。当时很多人都在研究怎么得到最薄的碳材料，海姆想把裂解石墨做成最薄，他把这个任务交给一个留学生，让他用化学抛光法来制备。三个星期后，这个留学生对海姆说他成功了。但其实他只是获得一些很小的石墨点，仍然有10微米厚，大概1000层左右。海姆很不高兴地说你能否再研磨得薄一点。然而这位留学生却叫板：如果你这么聪明，你自己试试。于是海姆决定自己来试。但是抛光法不行，海姆决定用透明胶带。他用胶带纸粘一小块石墨、折叠，然后再撕开胶带，薄片也随之一分为二。屡次重复这一过程，最后得到薄薄一层的石墨，名字叫做石墨烯。这是一次偶然的发现，可惜的是这位留学生没有坚持下去，否则诺贝尔奖上也会有他的名字。碳纳米材料家族中第一个诺贝尔获奖者是斯莫利。他是美国赖斯大学的教授，1984年发现富勒烯，1996年获得诺贝尔化学奖。当时他和其他几位研究者在氦气流中以激光汽化蒸发石墨，然后在形成的碎末中寻找新的材料，其中有一个60个碳原子构成的材料引起了他们的极大关注。当时没有人知道这是什么材料，斯莫利与研究数学、化学的几个科学家一起研究，将60个碳原子材料解析出来了：60个碳原子正好组成一个分子，顶端是碳，具有60个顶点和32个面，形似足球，所以把这种结构叫做富勒烯，也称C60。这个发现让他和另两位科学家获得了1996年诺贝尔奖化学奖。C60是碳纳米材料家族中的一个典型代表，它可以储存气体，可以药用，也可以清洁用。C60出现不久后碳纳米管就被日本的饭岛教授发现了，它相当于把一层或数层石墨烯卷起来形成的柱状。用化学合成法，现在可以非常容易地合成几公斤量的碳纳米管。如何把碳纳米管做得很长是目前的研究热点和难点，天津大学的李亚利教授在这一领域取得了突破。他制造了几千米长的碳纳米管纤维，创造了中国纪录，甚至是世界纪录。人类曾经有个设想，希望做个梯子与太空链接，航天员可以通过梯子直接登上太空。但是当时没有任何一种材料可以制作这种梯子，因为这么长的梯子，其自重就难以承受。但在碳纳米管出现以后，这个设想理论上就可以实现了，这样以后登月就不用航天飞机了。碳纳米管是非常好的电导体材料，在一定条件下它可以变成超导状态。石墨烯可以做电子元器件，导电能力也非常强，是铜的一万倍，如果用石墨烯做手机的触摸屏，iPhone完全有可能像纸一样薄。未来石墨烯是否能取代ITO，取决于其成本能否降到普通大众能用得起。现在这一研究的进展非常顺利，韩国科学家已经发明了用多层石墨烯、玻璃纤维、聚酯片和机体组成的柔性透明的显示屏。今年4月初，谷歌公布了“增强眼镜计划”，以实现谷歌功能的便携化。其中最大的突破就是新材料的研发。

（以上是李家俊校长于2012年6月15日在南开公能讲坛上所作的报告，本刊登载时有删节。）