預(yù)計(jì)在最近幾年內(nèi)，人類將在能源，尤其是可再生能源方面，取得重大突破。人們將會(huì)利用更安全的核電站，更高效的太陽能電池；風(fēng)能、太陽能、海洋能在我們的生活中將得到更廣泛的應(yīng)用。但是，這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都離不開科學(xué)，尤其是新材料方面的重大突破。
偉大設(shè)計(jì)——
納米復(fù)合材料模型使核電站更安全
科學(xué)家們關(guān)于新材料的設(shè)想越來越明晰了。他們以納米為單位來設(shè)計(jì)新材料（1納米等于十億分之一米）。在這樣小的尺寸上， 新材料可以擁有自己特性， 這些屬性可以提供理想的功能，特別是把新材料制成復(fù)合材料時(shí)，它們的功能就更加強(qiáng)大了。最近一系列研究表明，納米材料在能源領(lǐng)域擁有廣闊潛力。
研究人員已經(jīng)很好地掌握了新納米材料工程的工作機(jī)理。麻省理工的邁克爾·蒂米科維茨博士成功地研發(fā)出復(fù)合材料納米化的設(shè)計(jì)模型。通過該模型，人們有望獲得納米復(fù)合材料具有其組成物質(zhì)所沒有的、全新的材料特性。
蒂米科維茨博士正在美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室同一個(gè)研究小組進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。為了加速美國(guó)在能源科技領(lǐng)域的研究，美國(guó)政府資助了一項(xiàng)歷時(shí)5年、耗資7.77億美元的項(xiàng)目。 項(xiàng)目由美國(guó)多個(gè)科研小組共同完成，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室就是其中的一個(gè)小組。 材料學(xué)博士蒂米科維茨正在尋找抗輻射能力強(qiáng)的物質(zhì)。這種物質(zhì)可以代替不銹鋼給核反應(yīng)堆做內(nèi)壁來延長(zhǎng)核反應(yīng)堆的使用壽命，并將使核燃料得到更高效的利用來提高反應(yīng)堆的效率。蒂米科維茨博士說：“目前，反應(yīng)堆只利用了大約1%左右的燃料。所以即使燃料利用率僅略有增加，放射性廢物也會(huì)大幅減少。
核反應(yīng)堆的內(nèi)壁之所以會(huì)劣化，是因?yàn)楫?dāng)用做內(nèi)壁的金屬暴露于射線時(shí)，金屬就會(huì)變脆變?nèi)�。這個(gè)弱點(diǎn)是因?yàn)榻饘俚木w結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)又是由高能粒子造成的，如中子撞擊到單個(gè)原子，并把原子撞離原來位置。這些原子和其他原子發(fā)生碰撞，造成的損害蔓延開來。其結(jié)果就造成孔洞、裂縫等。
蒂米科維茨博士說確保納米復(fù)合材料具有抗輻射能力的關(guān)鍵在于組成復(fù)合材料的不同物質(zhì)層與層之間的界面。當(dāng)不同的物質(zhì)層越來越薄時(shí)，不同物質(zhì)間的界面就決定了復(fù)合材料的特性。不同物質(zhì)的界面使得復(fù)合材料表現(xiàn)出了原組成物質(zhì)所不具備的新奇特性。
理想的納米復(fù)合材料不僅能抗輻射損傷，它自己也不會(huì)通過吸收中子成為放射性物質(zhì)。蒂米科維茨博士利用他的模型技術(shù)來選擇可能的材料。鐵基的裂變反應(yīng)堆和將被應(yīng)用到核聚變上的鎢基的核反應(yīng)堆都是他考慮的材料。這些材料被批準(zhǔn)使用在核反應(yīng)堆上還要假以時(shí)日，但是納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)模型本身就是技術(shù)上的重大突破了。
穿越光譜——
納米技術(shù)使太陽能電池效率更高
在提高太陽能電池效率方面，納米技術(shù)也將發(fā)揮更加重要的作用。英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院的研究人員在一個(gè)叫做“太陽能量子”的展覽上披露了最新成果，納米復(fù)合材料用來制作“多重接面”太陽能電池。該電池的每一層能夠捕獲太陽能光譜中特定的顏色。總的來說，這就比僅僅轉(zhuǎn)換部分光譜的傳統(tǒng)太陽能電池有效多了。
“傳統(tǒng)太陽能電池只能把20%左右的太陽能轉(zhuǎn)換成電能，‘多重接面’太陽能電池的轉(zhuǎn)換率了已經(jīng)超過40%，而且根據(jù)帝國(guó)學(xué)院的研究員艾金斯·達(dá)克思預(yù)測(cè)，多重接面太陽能電池有望在十年內(nèi)把轉(zhuǎn)換率提高到50%。多節(jié)太陽能電池在應(yīng)用納米技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)之前成本仍然會(huì)很高。研究人員預(yù)計(jì)，如果通過反射鏡把太陽聚集在太陽能電池上，太陽能發(fā)電的成本仍會(huì)降低。
透過玻璃——
納米復(fù)合透明材料
太陽能電池也可應(yīng)用到建筑物，如在窗戶上。德國(guó)弗勞恩霍夫研究所機(jī)械材料研究員正在尋找合適的透明材料。這些材料也將利用計(jì)算機(jī)模型來探索原子結(jié)構(gòu)并來模擬電子運(yùn)行模式。來自德國(guó)研究所的沃爾夫?qū)た录{說，傳導(dǎo)材料和透明材料的良好結(jié)合可能會(huì)產(chǎn)生完全透視電子。
復(fù)合材料的納米結(jié)構(gòu)也能使較輕的材料擁有很大的機(jī)械強(qiáng)度。復(fù)合材料，例如以光纖玻璃和碳纖維合成的塑料樹脂，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)制造業(yè)，用來生產(chǎn)汽車和飛機(jī)等。但是，通過控制纖維生產(chǎn)過程中的方向，可以產(chǎn)生變形復(fù)合材料，這種材料在一定條件下能夠改變自身形狀。這種變化可以來自外部控制，也可以是自發(fā)產(chǎn)生的，例如，對(duì)溫度、壓力、和速度引發(fā)的變化。
在英國(guó)的布里斯托爾大學(xué)先進(jìn)復(fù)合材料創(chuàng)新和研究中心進(jìn)行的研討會(huì)透露，這種變形復(fù)合材料可以用于生產(chǎn)能效更高的風(fēng)電和潮汐發(fā)電的渦輪葉片。一種雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料能夠快速改變其空氣動(dòng)力狀況，這也將有助于消除刀片上不需要的壓力。這將提高其效率，延長(zhǎng)葉片的使用壽命，并且改善發(fā)電系統(tǒng)。變形復(fù)合材料意味著潮汐發(fā)電機(jī)可以制得更小，在商業(yè)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。依這種方式，材料科學(xué)上的些許變化將為可再生能源創(chuàng)造遠(yuǎn)大前程。
偉大設(shè)計(jì)——
納米復(fù)合材料模型使核電站更安全
科學(xué)家們關(guān)于新材料的設(shè)想越來越明晰了。他們以納米為單位來設(shè)計(jì)新材料（1納米等于十億分之一米）。在這樣小的尺寸上， 新材料可以擁有自己特性， 這些屬性可以提供理想的功能，特別是把新材料制成復(fù)合材料時(shí)，它們的功能就更加強(qiáng)大了。最近一系列研究表明，納米材料在能源領(lǐng)域擁有廣闊潛力。
研究人員已經(jīng)很好地掌握了新納米材料工程的工作機(jī)理。麻省理工的邁克爾·蒂米科維茨博士成功地研發(fā)出復(fù)合材料納米化的設(shè)計(jì)模型。通過該模型，人們有望獲得納米復(fù)合材料具有其組成物質(zhì)所沒有的、全新的材料特性。
蒂米科維茨博士正在美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室同一個(gè)研究小組進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。為了加速美國(guó)在能源科技領(lǐng)域的研究，美國(guó)政府資助了一項(xiàng)歷時(shí)5年、耗資7.77億美元的項(xiàng)目。 項(xiàng)目由美國(guó)多個(gè)科研小組共同完成，洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室就是其中的一個(gè)小組。 材料學(xué)博士蒂米科維茨正在尋找抗輻射能力強(qiáng)的物質(zhì)。這種物質(zhì)可以代替不銹鋼給核反應(yīng)堆做內(nèi)壁來延長(zhǎng)核反應(yīng)堆的使用壽命，并將使核燃料得到更高效的利用來提高反應(yīng)堆的效率。蒂米科維茨博士說：“目前，反應(yīng)堆只利用了大約1%左右的燃料。所以即使燃料利用率僅略有增加，放射性廢物也會(huì)大幅減少。
核反應(yīng)堆的內(nèi)壁之所以會(huì)劣化，是因?yàn)楫?dāng)用做內(nèi)壁的金屬暴露于射線時(shí)，金屬就會(huì)變脆變?nèi)�。這個(gè)弱點(diǎn)是因?yàn)榻饘俚木w結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)又是由高能粒子造成的，如中子撞擊到單個(gè)原子，并把原子撞離原來位置。這些原子和其他原子發(fā)生碰撞，造成的損害蔓延開來。其結(jié)果就造成孔洞、裂縫等。
蒂米科維茨博士說確保納米復(fù)合材料具有抗輻射能力的關(guān)鍵在于組成復(fù)合材料的不同物質(zhì)層與層之間的界面。當(dāng)不同的物質(zhì)層越來越薄時(shí)，不同物質(zhì)間的界面就決定了復(fù)合材料的特性。不同物質(zhì)的界面使得復(fù)合材料表現(xiàn)出了原組成物質(zhì)所不具備的新奇特性。
理想的納米復(fù)合材料不僅能抗輻射損傷，它自己也不會(huì)通過吸收中子成為放射性物質(zhì)。蒂米科維茨博士利用他的模型技術(shù)來選擇可能的材料。鐵基的裂變反應(yīng)堆和將被應(yīng)用到核聚變上的鎢基的核反應(yīng)堆都是他考慮的材料。這些材料被批準(zhǔn)使用在核反應(yīng)堆上還要假以時(shí)日，但是納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)模型本身就是技術(shù)上的重大突破了。
穿越光譜——
納米技術(shù)使太陽能電池效率更高
在提高太陽能電池效率方面，納米技術(shù)也將發(fā)揮更加重要的作用。英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院的研究人員在一個(gè)叫做“太陽能量子”的展覽上披露了最新成果，納米復(fù)合材料用來制作“多重接面”太陽能電池。該電池的每一層能夠捕獲太陽能光譜中特定的顏色。總的來說，這就比僅僅轉(zhuǎn)換部分光譜的傳統(tǒng)太陽能電池有效多了。
“傳統(tǒng)太陽能電池只能把20%左右的太陽能轉(zhuǎn)換成電能，‘多重接面’太陽能電池的轉(zhuǎn)換率了已經(jīng)超過40%，而且根據(jù)帝國(guó)學(xué)院的研究員艾金斯·達(dá)克思預(yù)測(cè)，多重接面太陽能電池有望在十年內(nèi)把轉(zhuǎn)換率提高到50%。多節(jié)太陽能電池在應(yīng)用納米技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)之前成本仍然會(huì)很高。研究人員預(yù)計(jì)，如果通過反射鏡把太陽聚集在太陽能電池上，太陽能發(fā)電的成本仍會(huì)降低。
透過玻璃——
納米復(fù)合透明材料
太陽能電池也可應(yīng)用到建筑物，如在窗戶上。德國(guó)弗勞恩霍夫研究所機(jī)械材料研究員正在尋找合適的透明材料。這些材料也將利用計(jì)算機(jī)模型來探索原子結(jié)構(gòu)并來模擬電子運(yùn)行模式。來自德國(guó)研究所的沃爾夫?qū)た录{說，傳導(dǎo)材料和透明材料的良好結(jié)合可能會(huì)產(chǎn)生完全透視電子。
復(fù)合材料的納米結(jié)構(gòu)也能使較輕的材料擁有很大的機(jī)械強(qiáng)度。復(fù)合材料，例如以光纖玻璃和碳纖維合成的塑料樹脂，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)制造業(yè)，用來生產(chǎn)汽車和飛機(jī)等。但是，通過控制纖維生產(chǎn)過程中的方向，可以產(chǎn)生變形復(fù)合材料，這種材料在一定條件下能夠改變自身形狀。這種變化可以來自外部控制，也可以是自發(fā)產(chǎn)生的，例如，對(duì)溫度、壓力、和速度引發(fā)的變化。
在英國(guó)的布里斯托爾大學(xué)先進(jìn)復(fù)合材料創(chuàng)新和研究中心進(jìn)行的研討會(huì)透露，這種變形復(fù)合材料可以用于生產(chǎn)能效更高的風(fēng)電和潮汐發(fā)電的渦輪葉片。一種雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料能夠快速改變其空氣動(dòng)力狀況，這也將有助于消除刀片上不需要的壓力。這將提高其效率，延長(zhǎng)葉片的使用壽命，并且改善發(fā)電系統(tǒng)。變形復(fù)合材料意味著潮汐發(fā)電機(jī)可以制得更小，在商業(yè)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。依這種方式，材料科學(xué)上的些許變化將為可再生能源創(chuàng)造遠(yuǎn)大前程。
