新材料：編織跨越時空的未來物質(zhì)圖景

在這個新材料與人工智能、量子科技深度交融的時代，我們正勾勒出一幅顛覆性的物質(zhì)文明新畫卷。曾幾何時，可自我修復(fù)的建筑表皮、能感知環(huán)境的智能織物、耐極端環(huán)境的星際材料及循環(huán)再生的生物基制品，還只是科幻作品中的奇思妙想。如今，這些概念正從實驗室的微光中破土而出，茁壯成長，逐漸成為重塑世界的核心力量。我們將以智能響應(yīng)材料的敏銳感知為起點，沿著納米復(fù)合材料的微觀脈絡(luò)、碳纖維的柔中帶剛、超材料的物理重構(gòu)，延伸至生物基材料的生態(tài)閉環(huán)，再進入極端環(huán)境材料的極限探索，層層展開，從原子尺度一直拓展到星際空間，領(lǐng)略這些材料從當下的萌芽生長為引領(lǐng)未來的無窮可能。

文|張立民 王國強

張立民，中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院博士后。

王國強，中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院研究員。

01.

智能響應(yīng)材料：激活物質(zhì)的感知與適應(yīng)潛能

物質(zhì)的本質(zhì)，正在被智能響應(yīng)材料重新定義。傳統(tǒng)材料始終以被動的形態(tài)存在，而智能響應(yīng)材料如同被賦予了生命感知力，能精準捕捉外界環(huán)境的細微變化，通過物理化學(xué)過程實現(xiàn)自組裝、相變或形態(tài)變化。這一過程恰似自然界的含羞草，觸碰之下便收攏葉片，智能材料則在溫度波動、濕度變化、電場刺激或機械應(yīng)力的作用下，展現(xiàn)出超乎想象的“應(yīng)變能力”。從前，人類只能對材料進行靜態(tài)加工，如今借助先進的分子設(shè)計與智能算法，我們不僅能精準調(diào)控材料的響應(yīng)閾值，更能賦予其多維度的感知與自適應(yīng)能力，從被動的加工對象轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆洹皼Q策智慧”的功能載體。

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，病理狀態(tài)下人體環(huán)境可能會出現(xiàn)一些生理指標的微小變化，這些微小變化恰恰可以作為響應(yīng)機理應(yīng)用于病變的治療過程，通過智能響應(yīng)對病變進行自主干預(yù)與精準治療，從而大幅提升治療效果，減輕患者負擔，避免并發(fā)癥與后遺癥的出現(xiàn)。在建筑行業(yè)，智能響應(yīng)型建材正悄然改變城市風貌：外墻涂層能根據(jù)日照強度調(diào)節(jié)透光率，夏季反射強光降溫，冬季吸收光能增溫，讓建筑成為“會呼吸的節(jié)能體”；橋梁伸縮縫材料可隨溫度變化自動調(diào)節(jié)彈性，有效緩解熱脹冷縮帶來的結(jié)構(gòu)損耗。在交通領(lǐng)域，汽車防眩目后視鏡夜間遇到強光，可自動變暗避免刺眼。在食品包裝領(lǐng)域，智能包裝可以在不破壞外包裝的前提下，及時反映食品的新鮮度，幫助商家和消費者通過直觀、科學(xué)的方式判斷食品質(zhì)量，減少食物浪費。

未來，更具想象力的應(yīng)用正在醞釀：可監(jiān)測人體健康數(shù)據(jù)的智能織物，能實時捕捉心率、血壓等指標，發(fā)現(xiàn)異常時自動發(fā)出預(yù)警；植入人體的智能修復(fù)材料，可感知骨骼生長狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整支撐強度，助力骨骼愈合；在災(zāi)害救援場景中，能變形穿越狹窄空間的智能材料機器人，可深入廢墟探測生命信號，成為救援一線的“得力搭檔”。

智能織物

（圖片來源：knowingfabric.com）

02.

納米復(fù)合材料：構(gòu)筑微觀世界的性能革命

如果說智能響應(yīng)材料賦予了物質(zhì)“感知力”，那么納米復(fù)合材料則通過微觀結(jié)構(gòu)的精準重構(gòu)，實現(xiàn)了材料性能的“極限突破”。傳統(tǒng)材料的性能提升往往受制于單一成分的固有屬性，如同用單一積木搭建復(fù)雜建筑，難以兼顧強度高、韌性好、質(zhì)量小等多重需求。納米技術(shù)的崛起為我們提供了操控微觀世界的“精密工具”，讓研究者能夠在原子、分子尺度上重組材料成分，將不同特性的納米單元如搭積木般精準拼接，構(gòu)建出兼具多重優(yōu)異性能的復(fù)合材料。這種微觀層面的重構(gòu)并非簡單的成分疊加，而是通過界面作用的精準調(diào)控，激發(fā)材料的協(xié)同效應(yīng)，創(chuàng)造出傳統(tǒng)材料無法企及的“超級性能”。

在電子領(lǐng)域，納米復(fù)合材料已成為高端芯片的核心支撐：石墨烯與半導(dǎo)體材料復(fù)合而成的新型基底，既保留了石墨烯的超高導(dǎo)電性，又兼具半導(dǎo)體的可控性，2024年發(fā)表于《自然》雜志的文章中提到，石墨烯半導(dǎo)體晶體管能在太赫茲頻率下工作，比當前芯片中使用的硅基晶體管運算速度還要快10倍。在環(huán)保領(lǐng)域，納米復(fù)合吸附材料如同“微觀凈化器”，其龐大的比表面積與精準的吸附位點，能高效捕捉水中的重金屬離子、有機污染物，甚至分解微塑料顆粒，為水資源凈化提供全新方案。在交通出行方面，輕質(zhì)納米復(fù)合材料正推動交通工具的“瘦身革命”：汽車車身采用碳納米管復(fù)合材料，強度堪比鋼鐵，質(zhì)量卻減小一半，大幅降低能耗與碳排放；航空發(fā)動機葉片采用納米陶瓷基復(fù)合材料，耐高溫性能顯著提升，讓發(fā)動機在更高溫度下穩(wěn)定運行，提升推力與效率。

未來，納米復(fù)合材料的應(yīng)用將向更精準、更智能的方向演進。在新能源領(lǐng)域，可實現(xiàn)高效光電轉(zhuǎn)換的納米復(fù)合薄膜，將讓太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率突破現(xiàn)有瓶頸，配合柔性基底設(shè)計，有望實現(xiàn)“萬物皆可發(fā)電”——屋頂、墻面、車窗都能成為發(fā)電單元，構(gòu)建分布式能源網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)制造中，兼具超高強度與自潤滑性能的納米復(fù)合材料將大幅提升機械部件的耐磨性，延長其使用壽命，降低工業(yè)損耗。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，納米復(fù)合緩釋肥料可精準控制養(yǎng)分釋放速度，根據(jù)作物生長周期提供持續(xù)營養(yǎng)，減少肥料浪費與土壤污染。更具遠見的構(gòu)想是，通過納米復(fù)合材料構(gòu)建“微觀傳感器網(wǎng)絡(luò)”，嵌入工業(yè)設(shè)備、橋梁建筑甚至生態(tài)環(huán)境中，實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)損耗、環(huán)境變化，為智能運維與生態(tài)保護提供數(shù)據(jù)支撐。

多層納米復(fù)合水凝膠顆粒（右上為冷凍電鏡圖像）

（圖片來源：日本生理學(xué)研究所）

03.

碳纖維：柔中帶剛的材料革命先鋒

如果說傳統(tǒng)金屬材料是工業(yè)時代的“鋼鐵硬漢”，那么碳纖維則是新材料時代“剛?cè)岵木ⅰ?。碳纖維以有機纖維為原料，經(jīng)上千攝氏度高溫碳化處理后，形成含碳量90%以上的無機高分子纖維，既保留了纖維的柔韌可加工性，又具備更高的強度和剛度，還擁有耐高低溫、耐腐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱性可調(diào)的多重優(yōu)勢，徹底打破了傳統(tǒng)材料的性能桎梏。

目前，碳纖維已成為高端制造領(lǐng)域的“性能核心”，在多個關(guān)鍵行業(yè)實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。在載客飛機領(lǐng)域，空客A350客機的碳纖維復(fù)合材料用量占整機質(zhì)量的52%，應(yīng)用范圍涵蓋機身壁板、框架、窗框和艙門等重要部位；我國C919大飛機的機翼、尾翼等關(guān)鍵部件也采用了碳纖維增強復(fù)合材料，助力國產(chǎn)大飛機實現(xiàn)性能突破。在運載火箭領(lǐng)域，歐洲織女星運載火箭發(fā)動機殼體選用IM-7中模高強碳纖維復(fù)合材料，極大地減少了火箭發(fā)射的動能損失。在通信衛(wèi)星領(lǐng)域，利用其耐高溫和耐腐蝕特性，國際通信衛(wèi)星V號采用了碳纖維-環(huán)氧復(fù)合材料的蜂窩結(jié)構(gòu)面板，在一定程度上提升了衛(wèi)星的使用性能。在國防裝備領(lǐng)域，F(xiàn)-35戰(zhàn)斗機首飛時間不斷推遲，其中一個很重要的原因就是超重。為解決此問題，美國航空航天制造商洛克希德·馬丁公司采取了很多辦法都不盡如人意，最后將大面積機身替換為碳纖維復(fù)合材料才使機身質(zhì)量符合要求?，F(xiàn)代軍事既是技術(shù)的比拼，也是材料性能的比拼，現(xiàn)代裝備低能耗、隱身化、高機動性趨勢凸顯，對碳纖維復(fù)合材料性能要求越來越高，研發(fā)更高強度、更高性能的碳纖維復(fù)合材料是比拼軍事實力的重要關(guān)注點之一。

未來，碳纖維的應(yīng)用將向“生活化、低成本化、循環(huán)化”三大方向邁進。在醫(yī)療領(lǐng)域，碳纖維醫(yī)療器械（如手術(shù)器械、影像設(shè)備支架等）的輕量化設(shè)計能降低醫(yī)護人員操作負擔，提升手術(shù)精準度。在智能制造領(lǐng)域，碳纖維與智能響應(yīng)材料、傳感器的復(fù)合將催生“智能碳纖維結(jié)構(gòu)”——嵌入橋梁、飛機機身的碳纖維智能結(jié)構(gòu)，可實時監(jiān)測應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)損耗，為設(shè)備運維提供精準數(shù)據(jù)支撐。隨著回收技術(shù)的突破，碳纖維復(fù)合材料的化學(xué)回收、物理回收工藝將實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，解決傳統(tǒng)碳纖維“難回收、高污染”的痛點，實現(xiàn)“生產(chǎn)—使用—回收—再利用”的循環(huán)閉環(huán)，為實現(xiàn)碳中和目標提供材料支撐。

碳纖維

（圖片來源：texco-materials.com）

04.

超材料：重構(gòu)物理規(guī)律的人工奇跡

如果說傳統(tǒng)材料是遵循自然規(guī)律的“天然造物”，那么超材料則是人類突破自然限制的“人工杰作”。超材料通過在微觀尺度上精準設(shè)計周期性結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)天然材料不具備的超常物理特性，就像給物質(zhì)裝上了“自定義物理規(guī)則”的芯片。天然材料的性能由其化學(xué)成分決定，如金屬的導(dǎo)電性、玻璃的透光性等都是自然賦予的固有屬性；而超材料的核心突破在于“結(jié)構(gòu)決定功能”，通過納米級的陣列排布、孔洞設(shè)計或異質(zhì)拼接，讓電磁波、聲波、應(yīng)力等在材料內(nèi)部呈現(xiàn)奇異傳播規(guī)律，實現(xiàn)負折射率、超常隱身、力學(xué)超構(gòu)等“反常識”性能。

如今，超材料已從實驗室走向?qū)嵱没瘓鼍?。在電磁領(lǐng)域，超材料吸波材料成為隱形裝備的“核心護盾”，能高效吸收雷達波，讓軍事裝備實現(xiàn)“視覺隱身”。早在2006年，美國杜克大學(xué)與英國帝國理工學(xué)院合作提出了一種微波頻段的電磁隱身設(shè)計方案，實驗結(jié)果證實負折射率材料用于物體的隱身是可行的。在光學(xué)領(lǐng)域，超材料透鏡打破傳統(tǒng)透鏡的衍射極限，制成的超分辨顯微鏡能看清納米級生物結(jié)構(gòu)，為癌癥早期診斷提供助力。2012年，加拿大超隱形生物公司發(fā)明了一種名為“量子隱身”的神奇材料，它能使周圍光線發(fā)生折射彎曲，從而使其覆蓋的物體或人完全隱身，不僅能“騙”過人的肉眼，在軍用夜視鏡、紅外探測器的探測下也能成功隱身。在聲學(xué)領(lǐng)域，超材料隔音板可實現(xiàn)“定向隔音”，既阻斷噪聲傳播，又不影響正常聲波傳遞，目前已應(yīng)用于高鐵車廂、機場航站樓等場景。2014年，杜克大學(xué)制造出世界上首個三維聲學(xué)斗篷，它是一種利用聲隱身超材料制成的聲隱身裝置，能使入射聲波沿斗篷表面?zhèn)鞑?，不反射也不透射，實現(xiàn)對探測聲波的隱身。在力學(xué)領(lǐng)域，超材料蜂窩結(jié)構(gòu)能將材料密度降低至空氣的1/10，卻能承受自身重量數(shù)千倍的壓力，成為航空航天領(lǐng)域的“減重神器”。

未來，超材料將向“多功能集成”與“動態(tài)可調(diào)”方向進化。在航天領(lǐng)域，可變形超材料將讓衛(wèi)星天線實現(xiàn)折疊收納到在軌展開的智能切換，同時具備抗輻射、耐高溫的復(fù)合性能。在醫(yī)療領(lǐng)域，超材料支架能精準調(diào)控藥物釋放路徑，配合超聲波響應(yīng)特性，實現(xiàn)“靶向給藥+實時監(jiān)測”的一體化治療。在通信領(lǐng)域，超材料基站天線可將信號聚焦于特定區(qū)域，大幅提升5G/6G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋效率與抗干擾能力。更具顛覆性的構(gòu)想是，通過超材料構(gòu)建“物理場調(diào)控界面”，實現(xiàn)對光、聲、電、磁的精準操控，如制造能彎曲光線的“隱身斗篷”、可吸收地震波的“抗震建筑外殼”，甚至是能優(yōu)化能量傳輸?shù)摹案咝茉赐ǖ馈薄?/p>

世界上首個三維聲學(xué)斗篷

（圖片來源：杜克大學(xué)）

05.

生物基材料：搭建生態(tài)循環(huán)的可持續(xù)橋梁

在全球碳中和的時代背景下，生物基材料正以“生態(tài)友好”的核心優(yōu)勢重塑人類與自然的物質(zhì)交互關(guān)系。傳統(tǒng)化石基材料的大量使用，不僅使人類面臨資源枯竭的困境，更帶來了嚴重的環(huán)境負擔——塑料垃圾難以降解，累計形成的“白色污染”正侵蝕著土壤、海洋與生態(tài)系統(tǒng)。生物基材料以可再生的生物質(zhì)資源為原料，通過生物合成、微生物發(fā)酵等綠色工藝制備而成。其最大的突破在于實現(xiàn)了“從自然中來，到自然中去”的循環(huán)閉環(huán)，使用后可在自然環(huán)境中被微生物降解，回歸生態(tài)系統(tǒng)，從根本上解決傳統(tǒng)材料的環(huán)保難題。

目前，生物基材料已在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。玉米、秸稈等農(nóng)作物制成的生物塑料已廣泛用于食品包裝、一次性餐具等產(chǎn)品，降解周期僅為1~3年，而傳統(tǒng)塑料則需要上百年。生物基纖維制成的服裝面料兼具透氣、舒適與環(huán)保屬性，替代了部分化纖面料，減少了石油資源消耗與化工污染。在汽車領(lǐng)域，生物基聚酰胺用于動力電池殼體，減重達30%，成本降低20%。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，淀粉基材料在土壤中3個月內(nèi)降解，讓“白色污染”不再發(fā)生。在建筑與家具領(lǐng)域，生物基復(fù)合材料制成的板材以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料，強度不遜于傳統(tǒng)木材，且無須添加甲醛等有害物質(zhì)，成為綠色家居的新選擇。

展望未來，生物基材料作為綠色經(jīng)濟的重要載體，其潛力將進一步釋放，在農(nóng)業(yè)、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊前景。例如：可降解的生物基地膜能解決農(nóng)田地膜殘留問題，降解后轉(zhuǎn)化為有機肥料，助力土壤改良；生物基航空燃料的研發(fā)將推動航空業(yè)實現(xiàn)“碳中和飛行”，減少碳排放；更具突破性的是，通過合成生物學(xué)技術(shù)改造的微生物，可直接將二氧化碳轉(zhuǎn)化為生物基材料原料，實現(xiàn)“碳捕捉+資源轉(zhuǎn)化”的雙重價值，為應(yīng)對氣候變化提供全新路徑。

生物基材料

（圖片來源：constructionplacements.com）

06.

極端環(huán)境材料：開拓人類探索的邊界

當人類的探索足跡延伸至深海、極地、太空等極端環(huán)境時，極端環(huán)境材料成為突破自然限制的“先鋒力量”。這些環(huán)境往往伴隨超高壓力、極寒、高溫、強輻射、腐蝕等嚴苛考驗，傳統(tǒng)材料在如此極端條件下極易失效，如同脆弱的紙張難以抵御狂風暴雨。極端環(huán)境材料通過特殊的成分設(shè)計、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控與制備工藝優(yōu)化，具備了抵御極端條件的“超強韌性”，為人類探索未知疆域提供了關(guān)鍵支撐，讓從前難以想象的探索任務(wù)成為可能。

在深海探索領(lǐng)域，耐高壓復(fù)合材料制成的潛水器艙體能抵御萬米深海的巨大壓力，搭載科研人員深入馬里亞納海溝，探尋深海生物與地質(zhì)奧秘。目前，我國3臺大深度載人潛水器的載人球殼均以高強高韌鈦合金為殼體材料。在太空探索中，新型陶瓷基復(fù)合材料與金屬合金的組合為航天器提供了全方位的防護：外殼材料能抵御再入大氣層時的數(shù)千攝氏度高溫，內(nèi)部絕緣材料可阻擋太空強輻射，保障航天器與航天員的安全，美國通用公司稱“陶瓷基復(fù)合材料代替高溫合金引發(fā)了發(fā)動機高溫材料領(lǐng)域的一場革命”。在極地科考中，耐低溫彈性材料制成的科考設(shè)備部件能在零下幾十攝氏度的環(huán)境中保持正常運轉(zhuǎn)，避免因材料脆化導(dǎo)致的故障。

展望未來，極端環(huán)境材料將助力人類探索更遙遠的疆域。在火星基地建設(shè)中，由火星壤制成的高強度纖維與火星土壤基體相結(jié)合形成復(fù)合材料，利用3D打印等技術(shù)打造成各種建筑模塊，最終用于建造一個適應(yīng)人類生存的火星基地，使人類移居火星的夢想又近了一步。在深海資源開采中，耐高壓、抗腐蝕的管道與設(shè)備材料將實現(xiàn)深海油氣、礦產(chǎn)資源的安全開采。在核聚變發(fā)電領(lǐng)域，能承受上億攝氏度高溫與強磁場的超導(dǎo)復(fù)合材料是實現(xiàn)可控核聚變的核心關(guān)鍵，一旦突破，將為人類提供取之不盡的清潔能源。

深海載人潛水器

（圖片來源：vecteezy.com）

07.

總結(jié)

擘畫未來，新材料不再是孤立的技術(shù)革新，而是正在匯聚成跨領(lǐng)域的協(xié)同浪潮。從智能響應(yīng)材料的感知自適應(yīng)到納米復(fù)合材料的性能突破，從碳纖維的輕量高強到超材料的跨界突破，從生物基材料的生態(tài)循環(huán)到極端環(huán)境材料的邊界拓展，我們正構(gòu)筑出一種超越傳統(tǒng)物質(zhì)形態(tài)的全新體系。在這一體系中，人類不僅擁有更強大的工具應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)、改善生活品質(zhì)，更有機會重新定義物質(zhì)與人類、自然的關(guān)系，實現(xiàn)從“征服自然”到“和諧共生”的理念轉(zhuǎn)型。

這幅未來圖景并非靜止的藍圖，而是充滿生機的動態(tài)演進。它的核心并非對材料的簡單改良，而是對生產(chǎn)方式、生活理念與生態(tài)秩序的深層重塑。當材料具備了感知與智慧，當微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控實現(xiàn)性能革命，當可持續(xù)材料構(gòu)建循環(huán)生態(tài)，當極端環(huán)境材料打破探索邊界，人類將以更和諧的姿態(tài)與自然共處，以更廣闊的視野開拓未來疆域。新材料是連接科技與生活的橋梁，是破解資源環(huán)境困境的鑰匙，更是人類文明邁向更高維度的堅實基石。無盡的潛能正等待發(fā)掘，而新材料的持續(xù)革新終將引領(lǐng)人類走向一個更智能、更環(huán)保、更廣闊的未來。

*本文刊登于《科學(xué)畫報》2026年第1期，更多相關(guān)內(nèi)容歡迎訂閱。

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