新材料与碳中和

第1章 材料与人类发展　　1.1 人类与早期材料的发展　　1.1.1 材料的定义　　材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。具体而言，材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品等的物质。一种物品通常由不同的材料组成，而材料的不同组合又构成了丰富多彩的世界。材料与国民经济、国防军工以及人们生活的各个方面密切相关。　　由于其重要的作用和地位，材料与信息、能源共同被称为现代文明社会的三大支柱。此外，新材料技术与生物技术、信息技术并列为当今世界高新技术产业发展的重要标志。简而言之，材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类社会进步的基石。　　1.1.2 人类发展早期以材料命名的时代　　在人类历史发展进程中，材料一直扮演着重要角色(图1.1)。人类文明早期，由于受到自然条件和自身发展水平的限制，天然材料是人们从事生产活动的主要工具。人类首先利用石头、木材等天然材料制成的工具，通过“击石取火”“钻木取火”　　图1.1 人类发展早期以材料命名的时代图片来源：摄图网　　等方式掌握了火的使用，从此结束了“茹毛饮血”的时代。同时，人类通过采集、加工天然石料制造石制工具，使得狩猎、采集、种植等生产活动的效率大幅提高，　　“石器时代”为人类的繁衍和发展奠定了坚实基础。随着生活经验的积累和自身发展的需要，人类开始逐步掌握采矿冶炼技术，能够从自然界中提取、分离金属材料，进而通过冶炼、铸造、加工等工艺制作各种青铜器件，促使人类社会进入“青铜时代”。青铜器的出现对提高农业、手工业等社会生产力具有重要的推动作用，同时极大地丰富了人类的物质生活。在此基础上，人类进一步掌握了冶炼铁的技术，开启了“铁器时代”。铁器的使用和推广在人类发展史上具有划时代的意义，将农耕文明推向了一个新的发展高度，并间接催生出近代工业文明。　　由此可见，人类早期的发展历程中，每一次关键材料的出现和应用都极大地推动着生产效率和生活水平的提升，并促进人类社会向前发展。正因为材料的关键作用，历史学家常以使用材料的名称来划分人类文明的阶段，如“石器时代”　　“青铜时代”“铁器时代”。随着生产力水平的提高，人们能够生产和使用的材料越来越多，材料在人类社会发展历程中所扮演的角色越来越重要。　　1.1.3 硅酸盐材料　　特别值得指出的是，硅酸盐材料也是一类历史悠久且应用广泛的重要材料。硅酸盐在自然界中分布广泛，包括黏土、高岭土等不同存在形式，通过将其与其他物质进行混合、加工，能够制备出具有不同结构和功能的材料，例如陶器、瓷器、砖瓦、玻璃、水泥等。历史上，人类对于硅酸盐材料的利用也一定程度上促使东西方文明开始发生分化。　　众所周知，我国生产的“瓷器”在相当长一段时间内名扬海外，与茶叶和丝绸并列作为我国对西方的主要出口产品。在“瓷器”的烧制工艺过程中，高岭土是必不可少的原材料，其主要成分为 Al2O3.2SiO2.2H2O，广泛分布于亚洲和美洲[1]。此外，除了高岭土的使用，高温对于瓷器的成功烧制也至关重要。瓷器的烧制温度高于陶器，也高于铁器和铜器的冶炼温度，因而对烧制工艺提出了较高的要求。由于较早掌握了高温冶炼技术，以及高岭土的发现和使用，我国成为成功烧制出瓷器*早的国家。随着我国瓷器烧制工艺日趋成熟并实现了规模化生产，各类瓷器逐渐进入千家万户，成为人们日常生活的必需品和重要的装饰用品(图1.2)。同时，我国生产的瓷器还远销国外，一度成为我国外贸的重要收入来源。　　图1.2 明代永乐年间青花瓷器图片来源：新视界　　由于缺乏高岭土原材料以及高温窑炉技术发展不成熟，西方国家长时间内未能烧制出瓷器。但西方基于经验积累和长期摸索，*早掌握了玻璃和水泥的制造工艺。玻璃由石英、石灰、纯碱及少量辅料烧制而成，主要包括硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅等成分[2]。“中世纪时期”(公元5世纪后期到公元15世纪中期)的西方，科技和生产力发展几乎停滞，社会发展进程缓慢。然而，在此期间，西方的玻璃制造工艺迎来了大发展，玻璃制造技术取得了重大进步和突破。此外，在烧制过程中，通过引入不同的金属氧化物，还能制备出具有不同颜色的玻璃制品，广泛用于建筑和艺术品中。“文艺复兴”后，西方的现代科学蓬勃发展。玻璃由于优异的物理化学特性，能够制成具有不同用途的光学元件、反应容器等，成为推动天文学、光学、化学等学科发展不可缺少的关键材料。　　水泥是西方国家成功利用硅酸盐材料取得的另一重大成就。硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料，经研磨、配料、混合等工艺后，在水泥窑中进行煅烧，再加入适量石膏研细制备而成。在水泥出现以前，建筑材料主要采用木材和石材，建筑的结构稳定性和使用寿命都受到了极大的限制。水泥的发明和使用，在显著提高人类社会建筑水平的同时，极大地改善了人类的居住环境、工作环境和出行环境。此后，基于水泥、砂石以及钢筋网等胶结而成的混凝土/钢筋混凝土成为现代建筑、基础设施等的主要材料(图1.3)。　　图1.3 典型的钢筋混凝土建筑图片来源：摄图网　　1.2 关键材料与近代技术革命　　1.2.1 工业革命　　早期材料的发展主要基于人们漫长的生活经验积累，材料的开发和应用周期较长，种类也比较单一，造成生产工具更新换代周期长、生产力水平落后以及社会发展进步速度缓慢。“文艺复兴”带来了科学技术的蓬勃发展，各类基础学科包括数学、物理、化学等的兴起与发展，为材料的设计开发和加工制造提供了理论指导，人们开发和应用材料的周期大幅缩短。同时，材料的开发与应用，也极大地提高了生产效率。　　以**次工业革命为例，通过以热力学、力学等作为理论指导，采用机械加工及制造技术，制成了以“蒸汽机”为代表的机械设备；机械的广泛应用促使人类生产生活从以劳动力驱动转变为机器驱动，人类社会自此进入“机械化时代”。机械化加工和生产极大地促进了人类的分工协作与劳动效率的提升，人类财富急剧增加，生活水平大幅提高。其中，“钢铁材料”作为**次工业革命的关键材料，广泛用于蒸汽机的各个部件，包括气缸、齿轮、传动等(图1.4)，钢铁材料的质量和性能很大程度上决定了蒸汽机的工作效率和使用寿命。此外，钢铁材料也广泛应用于铁路运输、建筑、汽车、石油化工等领域。　　图1.4 蒸汽机示意图图片来源：摄图网　　第二次工业革命的标志是电器和内燃机的发明和使用。从发电机问世到电灯、电报、电话、电影的发明，从内燃机诞生到由内燃机驱动的汽车、轮船、飞机的应用，人类社会从机械化进一步迈向电气化(图1.5)。在第二次工业革命中，除了　　图1.5 第二次工业革命的代表性成果图片来源：摄图网　　钢铁材料，具有优异电学、磁学、光学等性能的新型材料层出不穷，应用也越来越广泛，包括具有优异电学性能的导体材料、发电机使用的磁性材料等，在第二次工业革命中发挥着重要作用。　　1.2.2 信息革命　　20世纪中后期，以电子技术、计算机、半导体、自动化、信息网络等为代表的“信息革命”推动人类社会逐步进入“信息时代”。信息时代的一个特点是，人们可以通过机器实现对信息的收集、存储和处理等过程，能够部分取代人的脑力劳动。信息革命提供的全新生产手段，促进了生产力的大发展以及产业和经济结构的巨大变化。在信息革命中，以硅为代表的半导体材料发挥着决定性作用。硅具有原料成本较低、化学性质稳定、载流子迁移率高[1350 cm2/(V ？ s)]、禁带宽度适中(1.1 eV)等优点，并且能够通过不同掺杂形式对其能带结构进行有效调控[3]。因此，硅作为晶体管材料，广泛应用于各类电子器件。如今，基于高纯硅材料的集成电路和超大规模集成电路是计算机芯片、中央处理器(CPU)的主要部件，奠定了“信息时代”的基础(图1.6)。　　图1.6 基于硅半导体材料的集成电路图片来源：摄图网　　另一方面，随着集成电路集成度的快速增加，电子器件逐渐向小型化方向发展和转变。被称为计算机**定律的“摩尔定律”指出：集成电路上可以容纳的晶体管数目大约每18个月增加一倍。电子信息产业的快速发展在一段时间内验证了“摩尔定律”的有效性。然而，由于尺寸效应，集成电路晶体管数目的进一步增加必然会造成器件的发热和漏电问题，*终将会导致“摩尔定律”失效。因此，除了进一步对硅基半导体集成电路工艺进行优化，亟待开发高效能、低功耗的新型材料。近年来，材料领域的快速发展促进了各类新材料的不断涌现，包括新型碳材料(如碳纳米管、石墨烯)、二维材料(如过渡金属硫属化物)、拓扑材料、量子材料、超导材料等，有望在不久的将来实现大规模应用，推动信息革命的深入发展。　　总而言之，材料与人类社会发展的关系越来越密切。材料为人们的生产生活提供了不可或缺的物质基础，材料的发展在推动人类社会不断进步的同时，也加深了人们对未知世界的认识和了解。　　1.2.3 材料与诺贝尔奖　　材料在人类社会发展历程中扮演着重要角色，材料的发展水平成为现代科学技术进步的关键指标。作为世界科学技术的*高荣誉，1920～2021年间被授予诺贝尔奖的材料相关成果共计22项，包括合金、塑料、高分子材料、晶体管、光纤、催化剂材料、超导材料、液晶材料、富勒烯、石墨烯、准晶、蓝色发光二极管(LED)材料、锂离子电池等，充分肯定了材料的关键作用和重要地位(图1.7)。历史证明，上述材料的开发与利用是推动人类社会与科技进步的重要驱动力。　　例如，1956年诺贝尔物理学奖被共同授予威廉.肖克利(William B. Shockley，1910—1989年)、沃尔特.布喇顿(Walter Brattain，1902—1987年)和约翰.巴丁(John Bardeen，1908—1991年)三位美国科学家，以表彰他们“对半导体材料的研究和发现晶体管效应”。晶体管的发明促使信息电子学的发展产生了根本性变革。相比于传统真空电子管，晶体管具有体积小、能效高、使用寿命长等优点，成为推动　　“信息革命”的重要基础，目前广泛应用于计算机、电子通信、航空航天、军工国防等领域，对人类社会发展产生了深远影响。1987年诺贝尔物理学奖被共同授予德国科学家格奥尔格.贝德诺尔茨(J. Georg Bednorz，1950年—)和瑞士科学家亚历山大.米勒(K. Alexander Müller，1927年—)，以表彰他们“在发现陶瓷材料中的超导电性所做出的重大突破”。超导现象的发现颠覆了人们对传统陶瓷的认识，并逐渐成为世界各国研究的焦点。目前，超导材料在新兴电子学、磁悬浮运输、精密仪器等方面具有不可替代的作用。近年来，与材料相关的诺贝尔奖主要包括蓝色发光二极管和锂离子电池。2014年诺贝尔物理学奖被分别授予日本科学家赤崎勇(Isamu Akasaki，1929—2021年)和天野浩(Hiroshi Amano，1960年—)以及美籍日裔科学家中村修二(Shuji Nakamura，1954年—)，以表彰他们在蓝色发光二极管领域的突出贡献。蓝色发光二极管是一种新型高效、环境友好的光源，在节能方面具有突出优势。2019年，美国科学家约翰.古迪纳夫(John B. Goodenough，1922年—)、英国科学家斯坦利.惠廷厄姆(Stanley Whittingham，1941年—)以及日本科学家吉野彰(Akira Yoshino，1948年—)因在锂离子电池关键电极材料研发