新材料领域的机会在哪里?

你好,这里是得到讲座,我是王煜全。这一讲我们讲新材料。

一提起新材料,可能很多人会一脸茫然,因为好像没有想到新材料有什么用途,尤其是我们熟知的石墨烯,虽然名气很响,但是好像也没见到什么地方正在使用。其实新材料就是那个容易被你忽视的东西,因为很多新材料其实是在各个行业领域里面得到应用的,也就是说背后是材料技术做支持,但是显示出的产品,你并不知道那是新材料带来的技术。

材料领域有哪些技术突破?

1.量子点

举例来讲,我们都知道现在显示技术里面有一个技术很火,叫量子点,QLED。显示技术的领军企业三星现在就在主推QLED这种高清大屏幕的显示器。中国的TCL也在主推QLED,为什么呢?因为量子点电视的颜色更清晰,还原度更高,更真实,而且色彩更鲜艳。

但是你不知道的是,这个量子点背后其实就是材料的技术,为什么这么说呢?所谓量子点叫Quantum Dot,是一种含有稀有金属的非常微小的点,这个微小的点小到什么地步呢?只有2~10纳米,虽然它是同样的材料造出的,但是就是由于大小不同,所以当光照到量子点上面,或者当量子点被电子打中的时候,就会发出不同颜色的光。

你想想这种材料多奇妙,就是因为大小不同,被光或者电击发的时候,它的颜色就不一样了,而且它的颜色还非常地鲜艳,还原度非常地高,这就是量子点的技术基础。所以,我们今天看到的显示技术,其实背后的核心是材料技术。

2.纳米技术

其实类似这样的技术还很多,尤其是美国对纳米技术非常地关注。美国在20年前就出了报告,后来过了几年又连续出具报告,未来21世纪最重要的四个科技领域是NBIC。N就是纳米技术,B是生物技术,I是信息技术,C是认知科学,你看竟然把纳米技术放到第一位,所以纳米技术其实是材料技术中很重要的领域。

顺便说一句,现在整个社会上有一种观点,好像全球的科技发展进入了一个大停滞的阶段,我们都知道过去有牛顿力学,把宏观的问题解决得很好。后来,又有了相对论、量子力学、量子物理,微观的问题也逐渐得到了解决,虽然微观问题还没有完全解决,但是也把理论和科技推进了一大步。

你会发现,宏观、微观问题都解决了,还有什么可解决的地方呢?似乎确实没有什么新的技术进展了。其实不是这样,我们看技术进展,不能从宏观、微观的尺度上去看,而要看技术进展有没有一个新的领域,在这个领域适用的规则和原来完全不一样。为什么量子物理让大家兴奋?就是因为大家发现我们在宏观尺度上发现的所有规则,到了量子尺度,都完全不一样了,你甚至不能用宏观的理论去解释。所以才诞生了一系列的基于微观、量子物理的新的理论。

所以我们讲,衡量一个科技的突破,标准就是,是否能够发现一个新的领域,诞生一大堆新的理论才能解释,因为传统理论解释不了。其实纳米科技就是这样一个领域。也就是说我们今天突然发现,在原有的宏观、微观层面之外,原来有一个纳米层面的世界。这个世界里面,它适用的科技和宏观、微观都完全不同,它既不是宏观的牛顿力学可以解释的,也不是微观的量子物理可以解释的,它遵循的规律是另外一套独特的规律,在这一套规律底下才会产生一系列新的现象和新的科研成果。

经过更长尺度的历史,我们回头来看的时候就会发现,我们正处在一个纳米科技突破的年代。这个突破的意义,尤其是对人的意义一点都不亚于量子物理。所以我们说现在的科技不是没有突破,而是正在科技突破的前沿,而且这个科技突破还有一个特点,就是伴随着大量的科技突破,会产生出大量的实用性产品,相当于只有量子物理取得突破,才会产生原子弹。今天纳米科技的不断突破也产生了一系列的产品。但是,就像我前面讲到的,这些产品往往藏到了其他的技术后面,让你不能识别出原来这是纳米技术,原来这就是材料技术的成果。

纳米材料领域的成果非常多。除了我们讲的量子点技术以外,我们知道现在电视还有一个趋势就是柔性屏幕。柔性屏幕从表面看只是显示的成果,其实核心是用什么材料才能支持这种柔性的显示,所以还是材料科技的成果。

我们都知道,现在柔性屏幕的领军企业之一是柔宇科技,它的CEO刘自鸿,是从斯坦福回来的博士,专门研究材料领域。他的导师鲍哲南是斯坦福的教授,除了柔性电子里面的研究以外,鲍哲南教授还有另一项研究也很有意思,叫做电子皮肤。也就是说一个纳米层级的物体,当有压力作用在这个物体上的时候,这个物体表面的电流特性会产生细微的电流变化,是可感知、可测量的,所以通过对电流的监控,就可以知道材料表面承受什么样的压力,多大的压力。

那这个作用用在什么地方呢?我们都知道现在机器人,尤其是波士顿动力(Boston Dynamics),已经做出了非常像人的、动作非常灵活的机器人。机器人要完成它的动作,除了自己要做出动作,就是要有行动以外,最主要的是能从环境接收到反馈,也就是说其实我们人之所以能够有很高的智能,除了有一个中心的大脑做处理系统以外,一方面要有运动神经系统来控制运动,同时要有神经反馈系统能够把运动之后从环境得到的反馈收集起来,进一步调整人的运动。相当于人在运动当中是能够动态调整的,一脚踩下去,能够通过反馈来判断这一脚踩实了没有,才能够作出下一步运动的指令来。除了脚是这样,手也是这样,如果想抓握一个物体的话,我如果没有这个反馈,不知道抓握这个物体的力度如何,很可能轻了或者重了,轻了就没抓住,重了就把物体抓碎了。

所以在工业机器人领域,机器手依然还是个问题,因为它缺乏反馈系统。鲍哲南教授的研究就使得工业机器人可以长出像人一样的皮肤,当然不是真的人类的皮肤,而是工业机器人表面如果覆盖了一层电子皮肤的话,它接触物体的时候把轻重反馈给中枢神经系统,从而让机器手得到适当的调节,这样就能形成一个反馈闭环,就能使得机器人更像人类了。

当然,不光在工业的领域,其实很多其他领域都会因此而受益。所以未来电子皮肤的使用空间是非常巨大的,市场追求它的根本,其实是追求材料科技的进步。

另外,还有一个东西可能很多人听过,叫做隐身衣。但是你不知道的是,隐身衣从科技原理上讲现在确实可以实现了,而它也是纳米科学的进步,因为它背后的技术叫做超材料(Metamaterials)。

超材料的原理很简单,光波沿着材料的外表传递,绕过材料继续向后方发射。在接收波的人眼里,波绕过材料他是看不见的,他只看到波从对面直直地发射过来,似乎没有任何障碍物,被绕过的物体就实现了隐身。只不过能够实现隐身的超材料需要的波长不同,它的制备需要的元器件大小也是不同的,越小的波长需要越小的元器件。

迄今为止,更多的超材料能够规避掉雷达波、电磁波,也就是相对波长长一些,波就会绕过一个物体。那它用在什么地方呢?比如说用在战斗机的隐身上,一束雷达波照在战斗机身上,如果是传统的战斗机,就会有一部分雷达波被反射回来,被雷达捕捉到,就可以知道飞机的存在了。但如果波射到飞机表面,绕过飞机表面继续向前发射,不会有任何的回波,那当然雷达就捕捉不到了。

传说中的隐身衣,是大家最向往的,只不过光波的波长相对来说要小很多,要制作出可以让光波都能够绕过物体的隐身衣,现在所有的制备能力都是达不到的,所以它需要纳米级别的制造能力。

我们在看很多黑科技项目的时候,都会碰到这种问题。不光理论上要成立,还要有产品的制造工艺,如果仅仅理论成立,但实际做不出来,这个产品也不可能面市,也只是停留在理论阶段。所以,能够让人肉眼都看不见的隐身衣,现在应该还是只停留在理论里,但是能够绕过雷达波的隐身衣已经存在了,比如隐身涂料,已经在大量的研究当中了。所以,材料领域有大量纳米级别的成果。

3.纳米光学

另外,还有一个热门领域叫做纳米光学,不光是材料本身,材料改变了以后它的光学特性也会有明显的改变。

比如说我们原来也曾经提到过,我们在2017年的时候去拜访加州大学伯克利分校的张翔教授,后来他去香港大学当校长了,他就是做纳米光学研究的,他的一个很突出的成果就是13层超薄透镜。就是13个超薄透镜叠加到一起,它们的厚度仅仅相当于一个苹果手机的厚度。但是这13个超薄透镜的叠加,效果相当于一个长焦相机,就是我们俗称的大炮筒子。你去看一场体育比赛,会看到场边有很多体育记者,拿着巨大的长焦相机去拍照。未来他们不需要这种长焦相机了,每人举着一个手机就可以了。

我们也介绍过,为什么先进科技企业必须要对全球的科技前沿有跟踪、分析和获取的能力,就是因为虽然我们都知道现在手机领域,相机的功能优劣,是手机很重要的竞争点。但是这么好的技术现在转让给了三星公司,中国的华为和小米都没有拿到,甚至它们可能都不知道这个技术的存在。这个技术就是纳米光学的一个例子。

另外还有一个企业叫安科迪,它是一个美国教授创立的,现在产品在中国实现了量产。用一组摄像头矩阵实现对图像的高清晰捕捉,所以它能做到隔着一个足球场进行人脸识别,甚至说它能使得相机进入到一个高分辨率时代。我们都知道传统的家用相机是100万像素,他们已经做出了上亿像素,甚至是十亿像素的相机。这也是纳米光学非常突出的例子。

我们原来也介绍过,我们投资的一个企业叫WiTricity,它是做无线充电的。当然无线充电的原理也是波,纳米光学其实是和波有关的,也是在这个范围里。它的发明人是MIT的著名教授Marin Soljacic。Marin不光在无线充电上有突出的成果,因为他是搞纳米光学的,他的另一个成果也获得了美国物理学会2015年的十大发明奖。那是什么呢?他能让一个透明的物体上呈现出投影来。我们都知道这是有矛盾的,因为透明物体的意思就是,当有光穿过这个物体的时候不会形成散射,散射才能使人看见东西。你能看到周围所有的物体,原因就是因为这些物体表面的光形成了散射,如果没有散射你就看不到这些物体。

所以光穿过玻璃的时候最多在特定角度形成一个折射,所以你在特定角度能够看到一个反射的影像,但是大多数时候,在不同的角度你想看到是不可能的,因为光直接穿过去了。光要能够在一个透明物体上实现散射,这似乎从理论上不支持,但是Marin就发明出来了,而且他的发明非常有传奇性。他有一年在度假的时候躺在海滩上,一边晒太阳一边想,如果在天上织块幕布,既不妨碍我晒太阳,就是不让阳光被挡住,同时又能让我看电影该多好啊。我们普通人想一想就算了,这些既爱空想又执着的科学家可不是想想就算了,他们就要想办法去实现它。

虽然在理论上似乎不可行,但是教授就是和普通人不一样。他就想,为什么天是蓝的?我们都知道空气是透明的,但是实际上空气能够对蓝光形成一个特别微弱的散射。我们都知道大气层厚度得有差不多40公里,虽然它散射的蓝光极少,但是40公里厚的空气叠加起来以后,整个天空就呈现了蓝色。如果你到太空就会发现,其实太空的背景并不是我们肉眼看见的蓝色,我们肉眼看见蓝色其实是因为空气散射了太阳光波里的蓝色光。

所以他就得到一个结论,看起来透明的物体是可以对某种波长的波做散射的。所以,经过研究,他就找到了一个透明的东西,只对蓝光散射。也就是说你把其他光投到这个透明物体上都会被穿透过去,但是你把蓝光投上去它就会散射,从任何角度都看得见蓝光。后来,他又找到了红光、绿光。我们都知道三原色的原理,他把这三层透明的东西叠加到一起,把任何影像投上去,影像里面的彩色部分就都留在了幕布上。也就是说,他就真正地做出了既可以显影,又是透明的一块幕。

很多科幻电影往往对未来的科技发展有很强的指导意义,有一个电影叫《少数派报告》,就是汤姆·克鲁斯演的。在《少数派报告》里就有这样一个镜头,好几个玻璃幕,上面有各种各样的图形显示,而且它可以用动作来指挥上面的图形做各种计算。理论上讲,动作识别和用手势来指挥,相当于用鼠标一样去移动物体,这个技术其实现在看来已经并不难了。主要的难题在于,如何使一个透明的玻璃能够显影,原来的做法是这个透明玻璃并不是完全透明的,里面嵌入了非常薄的金属丝,这样它的透明度就会受影响。现在的做法就会简单很多,直接用一个透明的玻璃幕,只不过把彩色影像打上去就可以了。

所以你看,科幻电影里那些科幻的东西今天都已经变成了真实的,而其原因就是纳米光学的进步。当然类似这样的进步还会有非常多,所以这个领域非常值得期待。

为什么新材料概念炒得很热,但是却很少看到应用?

我们依然还是回到最开始的那个问题,就是虽然这个领域有很多名词被炒得很热,比如石墨烯,但是,为什么我们周围看不到太多的材料科学的应用?

一方面很多东西是应用到不同领域里了。比如,石墨烯里面一个最活跃的应用领域是什么呢?是对锂电池的改造,也就是说在锂电池里加上了石墨烯,它就使得电池的性能提升,只不过石墨烯需要的用量并不大,所以它并不会给你带来一个蓬勃发展的石墨烯产业,而只是锂电池产业会用到石墨烯技术。

那另一方面,材料科学有一个很明显的特征,就是它是典型的应用驱动。有很多材料的性能非常好,但是没有找到足够应用的时候,它可能会沉寂很多年。一个典型例子就是碳纤维,我们都知道现在的豪华品牌的跑车需要非常坚韧但是又轻的车体结构,车体都是用碳纤维做的。很多轻型飞机的机体也是用碳纤维做的,因为飞机需要更轻的结构,又要有足够的强度和韧性。

最典型的一个例子,我们都知道苹果公司在硅谷新的园区,是一个像飞碟一样巨大的环形,环形的中央是个非常漂亮的花园,环形周围一圈都是办公室。因为苹果公司的宗旨就是鼓励大家的交流和沟通。苹果公司的员工要约着谈事,不管你在哪个部门,约定见面的距离都是一样的,就是大家都离开办公室,走到这个中心花园里就可以。那可以想象,那么多的苹果员工需要的环形建筑可是够大的,它像一个巨大的飞碟。但是,整个环形建筑的顶是由一块完整的碳纤维构成的,这是迄今为止最大的碳纤维的单体建筑,它已经完成了。

未来你可以期待,甚至会出现整个由碳纤维打造的桥梁等建筑,不光是车体、飞机体,越来越多的大体量的碳纤维的结构都会出现在我们生活当中。可是你不要忘了,碳纤维已经发明了好几十年了,但是前面的好几十年里,碳纤维就苦于找不到应用场景,以至于碳纤维最早的能够商业化的场景其实是高尔夫球杆,因为高尔夫球杆需要有足够强的韧性,碳纤维正合适。虽然高尔夫球杆只是娱乐的很小一部分,对推动社会发展的贡献看似微不足道,但是却帮助碳纤维找到了第一个商用市场,赚到了第一桶金,从而使它能够从容地去找其他的市场。到今天碳纤维已经有了越来越多的应用,但是当初还是第一个应用救活了它。

材料领域有大量这样的例子,比如说我们曾经在我们的《前哨》栏目里,公开地帮助宾州大学的教授征集他发明的用途。他发明了一种很轻的材料,既轻,强度又高,而且整个材料的经济效益也非常好。但是迄今为止还没有找到能够大规模应用的场景。所以材料科技就有这样的特点,只有材料科技真正得到应用,才能发挥出它的价值。在它找到应用之前,虽然技术上的突破早就存在了,但是可能会沉寂很多年。

这就是我们讲的,技术突破不等于应用的提升,而这也是我号召我们中国的企业家关注材料科技的一个重要原因。因为我们中国企业家往往更熟悉市场,更了解应用需求,当你了解一个应用需求,找到一个市场的时候,如果能够对材料科技有了解,发现某种材料正好能满足这种需求,可能你就为这个材料找到了一个新市场、新出路,从而也会使你的企业受益。所以我们认为科技一定要和应用结合,中国现在在科技尖端的研发上暂时还有一定的落后,我们可以从应用入手。当我们在应用上足够强的时候,不断地吸纳先进科技进来,同时掌握研发能力的话,我们就可以逐渐地在前沿科技上领先了,所以应用也是我们的一个重要的抓手。

最近有哪些值得关注的新材料进展?

最后,我就稍微介绍一下最近我关注到的几个值得大家都关注的材料科学的进展,而且我认为未来几年里,这些进展很可能会大规模地进入产业界,从而形成一个材料科学的小热潮。所以值得大家去关注。

1.散热材料

我们都知道电子产品现在面临的一个很大的问题就是散热。电子产品越做越小,看看你手机里有多少零件就知道了。但是这些小的电子产品在运转的时候会产生大量的热,如果不能及时散热的话,这个产品就不能够顺利地使用了,甚至有手机爆炸的现象出现。散热一直是个老大难的问题,因为我们都知道热能是从中间向外面逐渐传递的,中间如果不断产生热能的话,温度一定是最高的。

但是我们都知道,比如说声波,其实它就是一种波的形式,我们说的任何话,声音出来以后迅速向周围传播,而中间就不再有声音了。你大吼一声之后,中间并不是由中间逐渐向外面扩散,而是立刻就没声了。所以声波是像波一样向周围传递的。

但是,现在MIT的科学家发现,如果给定某种特殊的材料,其实热也能像声波一样,会迅速地像涟漪一样向周围传开,造成中间迅速变冷,而周围热度在一圈一圈地增加。也就是说我们原来以为热是一种逐渐传递的物质,只不过是因为热这种波碰到周围的环境会产生一个又一个的扩散,所以这些波逐渐地叠加,造成中间是最热的。但是如果你能找到一种相对纯净的物质,就不会形成扩散,这时候热就会像波一样传导。这种物质是什么呢?其实很简单,就是特殊制备的石墨烯。

也就是说,未来在我们的手机里面,在最需要散热的部位贴上一层石墨烯的膜。这层膜会造成手机里产生的热量迅速地传导出来,它的传导效率就跟声波一样是非常非常高的,那么散热就不再是问题了。也就意味着,我们的电子产品还可以继续集成更多的东西,集成更强大的计算能力,形成更微小的产品。微小的产品有什么价值?很多时候就是大小耽误了我们对产品的使用。

举例来讲,很多人都知道我们海银资本投资了一个企业叫Wicab,他们生产的一个产品叫BrainPort,我们把它俗称为盲人眼镜,也就是说盲人戴着设备以后,能够对外部的三维世界重新产生感知,这是一个了不起的发明。这个发明的发明人现在已经去世了,这个公司也成立了十几年,现在才把产品做上市。有人问这个公司的CEO:为什么要花这么多年的时间这个产品才上市?那个公司的CEO说,因为如果我十年之前推出这个产品的话,每个盲人的背上就得背一个十公斤的电脑包,可这是不现实的。也就是说电子产品的小型化才能使得它容易被使用。

今天的Wicab盲人眼镜,已经做到就是一个眼镜的大小,眼镜腿上带着一条线,连到一个舌片上,把它含进嘴里就可以了。它所有的计算全部被集成在了眼镜腿上,也就是说现在它的芯片比眼镜腿还要薄、还要小,而不用在体外拿着一个计算机来做计算。所以你会看到,这个小型化多么有价值。

2.高温超导

另外,我们看到最近有一个科研成果,是一位著名的华人科学家做出的,他叫曹原,非常年轻,才二十三、四岁,MIT的学者。他做的科研成果也很了不起,他发现两层石墨烯只要稍微转一个神奇的角度,这个角度是1.4度,就会形成一个超导的界面。我们都知道超导研究是非常有价值的。为什么电路里面会形成热量,就是因为导体里存在电阻。当一个导体完全没有电阻,也就是超导状态的时候,它就不会产生热量了,也就是说你不管有多少计算,它都是没有热量的,所以未来计算超导也是很重要的一部分。

超导以前最大的问题就是所谓“低温超导”,要在很低的温度才能实现。曹原的研究成果就是高温超导,不需要特别低的温度。当然,它离室温还有差距,所谓高温是指的相对于绝对零度而言的高温,比绝对零度高几十度、一百度,那离现实还差着一两百度,基本上零下两百度左右的水平算是高温超导。那么会不会随着纳米科技的进步,我们能找到室温超导的材料?我相信一定会有那一天。当然,一旦找到了室温超导材料,整个电子产业可能就会产生一场革命了,因为今天我们面临的很多的问题,能耗问题、散热问题、计算问题都会出现颠覆,所以材料科学真的非常值得期待。

3.催化剂

另外一个值得期待的进展,就是有科学家在催化剂的效能上找到了提升的途径。最近有一个介绍,就是政府在推动氢能源车的发展,坦白讲我认为我们政府在推动电动车的发展上非常成功,而电动车产业一旦确立了它的优势之后,不宜立刻去推动它的竞争性技术,所以其实现在不宜推广氢能源汽车。当然,氢能源汽车背后也还有技术不成熟的问题,技术不成熟的主要原因就是,如果你直接用水解氢,把水分成氧和氢就有了源源不断的动力,而水是到处都可以获得的,似乎取之不尽,用之不竭。但实际上有个现实的问题,就是水解氢付出的能量比收获的能量有时候还会高,也就是说水解氢需要大量的能量来产生水解,比如你用电解,你要耗大量的电才能把它变成氢,也就是你制备的能量超过了你获得的能量,它是不值得的。

但是,有一个办法能解决。制备能量相当于我要想到山的另一边,我要爬过一个很高的山,所以我要耗很多的能。但是用催化剂的办法,相当于在山中间打了一个隧道,也就是说我不需要耗这个能,还可以到山的另一面,这就是催化剂的好处。但是传统催化剂的效率比较低,现在科学家发现催化剂效率比较低的原因,是因为催化剂要和每一个分子,甚至原子去接触才能产生催化作用,这个分子、原子的接触都是需要时间的。提升接触的效率,就能提升催化的效率。他们在催化的时候同时加上了超声波,使得分子振动的频率加快,和其他分子接触的效率大大提升,这样能够使得催化剂的效能提升1000倍。也就是说某一天,水解氢会不会通过催化剂在低能耗的情况之下实现呢?我认为至少理论上往前迈了一大步,这个可能性大大地增加了。

现实里的进步:可食用材料

当然,材料科学的进步不只是理论上的,有很多现实里的进步也非常了不起。我们在2019年4月20日的《前哨大会》上,介绍了美国亚利桑那州立大学教授姜汉卿的科研成果,他做了一个很了不起的材料上的突破。我们都知道,可食用的材料其实是最好的,为什么呢?因为如果我做体内检测的话,我把它吃掉以后它会自然地被排泄出去。但是,可食用的材料怎么做成电子产品是一个老大难的问题。姜汉卿教授原创性地把所有可食用材料的导电性作了系统的分析,然后突破性地利用可食用的材料做出了可食用的医疗器械。

他现在做出一个产品,是可食用材料制成的测胃酸的胶囊。把胶囊吃下去以后不到一分钟的时间,在体外用一个读数器就能读出你的胃酸数据。因为现代人生活压力大,工作压力大,容易造成胃酸过多。胃酸过多往往要到胃穿孔、胃溃疡的程度大家才发现。但是,如果你能够早期检测出胃酸过多,无疑是所有现代人的福音。但是以前检测胃酸过多的手段只有胃镜,这是非常痛苦的,要把一个细长的管子从嘴里吞咽下去,一直伸到你的胃里。现在就很简单了,用一个小小的胶囊,吃下去以后就可以读出数来,而且不用管这个胶囊,它会被自然分解排出,对人体完全无害。

坦白讲,这不是纳米层级,但是依然是材料的进步。材料科技有它的魅力所在,它总是会出人意料地取得某些让你觉得非常黑科技的科技成果,但同时又是很现实的应用。所以材料科技非常值得我们关注。

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