想想技术，我们很容易受到数字化、人工智能和机器学习、机器人、量子计算、虚拟和增强现实、5G、核能、电气化等流行语的轰炸。想想可持续性，气候、能源、水、食物、流动性和建筑环境等反复出现的主题就会立即浮现出来。然而，讨论很少、容易被误解、常常被认为是理所当然的，但将新解决方案与难题结合起来并重新定义近乎饱和的技术前沿的最关键线索变得清晰——材料。
我们需要新材料——开发更好的能量捕获和存储系统，为我们的电气化目标提供动力；制造越来越小的计算芯片，推动我们的数字未来；建立更强大、更持久的结构，帮助实现我们的可持续发展目标。实现全新的电池化学物质，或突破新工艺的温度限制，只是我们如此迫切需要新材料的一些例子。我们寻求材料来帮助我们定义下一个时代，就像它们在我们的历史中所做的那样，以及每个时代工业发展背后的驱动力。
但是，实现代表人类下一次技术飞跃的新材料的道路从来都不是简单的，也不是短暂的。新材料需要很长的酝酿期——从发现到表征其特性，再到接受，最后到传播和扩散。在我从事透明陶瓷工作的 13 年中，我经历了这样一个循环，我可以很容易地证明这段旅程的艰辛，充满了无数的障碍，这与创造、应用和扩展先进材料的天真和近乎天真的愿望背道而驰。
当然，我们生活在一个技术发展迅速且加速的时代，材料科学也可以看到同样的趋势。青铜时代持续了大约1300年，铁器时代持续了大约600年。塑料仅出现了大约一个世纪，而我们现在正处于逐步淘汰塑料的风口浪尖。硅还不到 50 岁，我们已经渴望更新的东西。
今天，碳、锂和氢等新的竞争者已经崛起，每种轴承都有望彻底改变能源，实现可再生能源和净零排放等等。寻找新材料只会变得更快。 2005 年，材料基因组计划 (MGI)推出，开发和使用复杂的人工智能和机器学习技术，“发现、制造和部署先进材料的速度是传统方法的两倍，成本仅为传统方法的一小部分”。这里的方法是开发自动化、快速的实验来扩展材料库，并以强大的计算方法为支持来预测材料的结构和性能。这样，新材料的发现、测试、消除和改进将能够以比以前更快的速度取得进展。
如果我可以考虑一个疯狂的想法，也许下一个年龄定义材料不一定需要仅由某个元素来识别。也许它不必仅仅拥有独立于时间和环境的属性。或许，这种未来的物质能够拥有记忆，能够被训练，甚至能够做出决定。这就是科学家们的想法功能智能材料研究所（I-FIM），在新加坡国立大学主办，正在追寻。在诺贝尔奖获得者康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授爵士的共同指导下，I-FIM 致力于创建一个“设计材料库”作为 FIM 的构建模块，并通过此开发一本规则手册来预测 FIM 行为。与 MGI 类似，I-FIM 拥有一个材料机器人实验室——“一个自动化实验实验室，将收集训练数据并合成和测试设计的配方”。
二维材料经常成为大肆宣传和前景的主题，但自 2004 年发现石墨烯以来，迄今为止的应用有限。然而，也许我们很可能已经度过了其炒作周期的最低点，并开始看到使用该材料的校准和目标方法，从而产生更实用、尽管不那么具有开创性但仍然有意义的结果。通过分离就是一个这样的例子，一家成立于 2012 年的初创公司，诞生于麻省理工学院 (MIT)。首席执行官 Shreya Dave 解释说，该公司最初探索氧化石墨烯膜是为了“降低海水淡化成本并改善获得清洁水的机会”，但他们很快发现“海水淡化的成本并不在于膜材料”。然而，凭借调节石墨烯孔径的能力，Via Separations 现在已经成功地重新应用其膜来满足能源需求和热处理过程产生的相关排放，据 Dave 称，这可以将工业分离中使用的能源减少约 90%。 Via Separations 已吸引来自 12 家投资者的 9 轮融资，总计 5500 万美元，并一直在展示像石墨烯这样的先进材料如何缓慢但坚定地进入全球推动可持续发展的道路。
但我们不必如此深入地观察那个水晶球。我们已经看到如何通过将不同特性的成分结合在一起来发现新的先进材料。我们非常亲切地知道他们的通用名字——复合材料。简而言之，这些材料由两种或多种具有不同物理或化学特性的成分组合而成，所提供的新特性不一定只是介于两者之间，甚至可以有意定制为定向和非线性的。如今，虽然复合材料有许多不同的结构和化学成分，但最常见且仍受到强烈关注的复合材料是碳纤维增强塑料 (CFRP)。
使用复合材料的美妙之处在于，在结构（分散相和基体相）、材料类型以及性能方面，它们可以具有几乎无穷无尽的组合。仅在碳纤维复合材料方面，人们就不断发现新的树脂，并且正在开发将看似毫无价值的废料转变为坚固的碳纤维线的新方法。即使在结构末端，控制纤维取向并增强物理性能的新方法也已经出现。由于航空航天（包括卫星部件）、国防和可再生能源市场的高需求且不断增长，人们对复合材料的整体兴趣将继续上升。虽然 PAN 基碳纤维的高成本仍然是 CFRP 快速采用的一个问题，但碳纤维回收、具有优化结构和减少材料浪费的 3D 打印复合材料，甚至是使用寿命显着延长的结构的新机遇已经浮出水面。
ARRIS 复合材料已开发出专利增材成型™工艺，这是一种自动化 CFRP 制造技术，其应用遍及从运动服到国防和航空航天等各个行业。 3D 对齐的连续纤维复合材料“现在可以在复杂的形状中实现，其中材料成分可以在单个零件的区域内发生变化”。此类结构的优化已在各种组件中带来了经过验证的优势——飞机支架（重量减轻了 75%）、电子设备外壳（提高了抗跌落性）和耐磨板（增强了能量回馈）。最近，ARRIS、美国陆军和 LIFT 启动了一个项目，应用 ARRIS 的增材成型™技术，并展示“通过零件整合、拓扑优化和连续碳纤维复合结构显着减轻车辆重量”。
Boston Materials 开发了一种 Z 轴定向碳纤维技术，其首席执行官 Anvesh Gurijala 表示，该技术可以“将产品寿命延长 15 倍，并将范围 3 排放量减少 5 倍”。沿此方向取向的纤维可使层间强度提高 30%，并增强导电性和机械性能。这使得复合材料零件制造商能够创造“具有低碳足迹的高度差异化、节能的产品”。这些强化薄膜的应用广泛延伸到航空航天和国防领域，提供更轻、更强的复合装甲板和结构。迄今为止，波士顿材料公司已筹集了总计 2680 万美元的资金，Z 轴碳纤维的潜在市场超过 4500 亿美元。
在技术进步方面，材料科学在突破极限方面取得了长足的进步，催生了新产品和解决方案。无论是下一代复合材料、储能设备，甚至计算芯片，材料无疑将继续发挥推动者的作用，并帮助定义工业发展的下一个时代。毕竟，这是科学，实质内容才是真正重要的。