资源红灯与新材料的未来

资源红灯与新材料的未来

俗话说“不当家不知柴米贵”。现在，让我们当一回地球资源的家，站在人类社会发展战略家的角度，审视一下“社会发展－科技进步－新材料技术－地壳资源”这个关系到人类生存与发展的大问题。地球上的资源是取之不尽、用之不竭的吗？在没有资源的困境下，新材料的发展不就成了无米之炊了吗？这种忧虑是必要的，但并不可怕。

材料的发现和应用，开创了人类物质文明的新纪元，加速了人类社会发展的历史进程。材料被看作是人类社会进化的里程碑。历史学家更是用材料来划分历史年代，如“石器时代”、“青铜时代”、“铁器时代”等。也有以当时出现的新技术来划分时代的，自现代工业革命以来，有所谓的“蒸汽机时代”、“电气时代”、“计算机时代”、“信息时代”等等。但是，新技术的出现，必须是以新材料为先导和支撑的，否则，新技术就成了“无源之水”。新材料是科技进步的基石。一部人类文明史，从某种意义上也可以说是一部世界材料发展史。我们只要考察一下从石器时代到目前的信息时代的历史发展轨迹，就不难明了这一点。为什么石器时代延绵数十万年之久？是因为那时人类只能利用岩石、木材、兽皮、骨头等天然材料进行简易的加工，生产工具又极为落后，导致社会发展非常缓慢。为什么曾显赫一时的青铜器很快被铁器取代？其原因在于铁的性能优于铜，资源更丰富，加工更方便。为什么自1909年首次用化学方法合成酚醛树脂起，至今不到百年的时间，合成塑料、合成化纤等各种各样的高分子材料，犹如雨后春笋般地迅猛发展起来？其理由就是金属材料已远远满足不了人类社会多样化的日益增长的物质需求。为什么真空管计算机自设计制造出来后还没有获得推广使用就被半导体晶体管计算机取而代之？其原因不仅是超高纯度的半导体材料性能更优异，制造工艺更先进，还归功于其他配套的功能材料，如大规模集成电路材料、高密度信息储存材料等的发展，使计算机微型化、高速化。目前，计算机产品日新月异地更新换代，标志了现代科技的飞速发展，更是新材料开发的结晶。宇宙飞船发射成功，开展了一系列太空试验，标志着人类社会文明发展到前所未有的高峰。但如果在这之前没有解决超硬、高强、耐高温材料的话，飞船恐怕还没进入太空，就在大气层中被烧掉了，人类遨游太空的梦想就难以实现。由此可见，某种新材料的发明和应用，往往会给社会生产和人类生活带来巨大的变革，将人类文明推向新的高峰。

何谓材料？从传统的定义看，是指以石油、煤、矿石等为原料，经过化学的或物理的加工后可以制造成有用的制品的物质。传统的材料可以分成四大类：即金属材料、陶瓷材料、高分子材料和碳素材料。所谓新材料是从1980年以后才在世界范围出现的一种概念，是指那些新近发展和正在发展的具有优异性能的材料，它具有传统材料所不具有的高性能。随着现代高科技在学科之间的横向渗透、纵向深入、综合交错，传统的四大材料之间的界限变得模糊了，分类也不那么细了，变成两大类：结构材料和功能材料。

材料都是以石油、煤、矿石等地壳表层蕴藏的资源为原料的。进入20世纪以来，随着社会生产和科学技术的高速发展，材料的耗量急剧上升，大量新兴的工业产业，尤其是高科技产业对材料的大量需求自不必说，就以最古老、使用最普遍的钢铁材料为例，自1950年至1990年的四十年间的产量增加为：美国由8784万吨增为8870多万吨，它的总产量变化不大，但大量发展了新品种和提高了质量；日本由483万吨增为11030万吨，增加23倍；前苏联由2730万吨增为15580万吨，增加近6倍；中国由61万吨增为6580万吨，增加107倍。

材料的耗量急升，导致了对资源的加速开采，其结果是地壳资源日趋贫化，人类社会正面临资源枯竭的威胁，资源红灯已向全世界发出警示！据权威人士估计，即使世界资源的储量再增加10倍，并且将50%的金属再生循环利用，最多也只能维持：100～300年。如果以目前已探明的储量为基础，按每年耗量的增加率估计，形势更为严峻：沿用了数千年的铁只够开采109年；刚刚开发使用不久的钛只够开采51年；作为老资格导电材料的铜只够开采24年；身价昂贵的银只够开采14年……那么，作为有机高分子材料的原料来源的石油和煤的形势又如何呢？其形势更不妙。石油和煤，既是有机材料的原料，更是主要的工业和生活能源，耗量巨大，资源已告急。一场世界范围的石油和煤的争夺战早已拉开序幕，这是共知的事实，详情就不必细说了。

如何摆脱困境呢？有人想到向地球深处要资源，到海洋中去“淘金”，向外星去寻“宝”……但所有这些办法或技术难度大，或代价太高，或可能给人类带来新的危害……很难从根本上解决问题。

难道新材料就没有出路，人类文明的进程也到此为止吗？当然不是的！日新月异的现代技术为材料世界的发展铺开了宽阔之路。

当今世界各国，尤其是工业发达国家都把新材料作为优先发展的重点，把新材料、信息、能源并列为未来社会发展的三大支柱。材料科学家的任务就是一方面要为关系到社会发展和国计民生的各种高新技术发展提供支撑性关键新材料，另一方面要深化材料科学本身的理论和技术研究。作为新材料未来的发展战略，以下几方面是很重要的。

首先，实现材料向多功能化、高性能化发展，使材料能“一材多用，以一当十”。这无异于减少材料的消耗，节省了资源，也是现代技术对材料提出的要求。这是一条最主要的材料发展的出路。在大量研究材料的微观结构、组成与性能关系及表征技术等方面的基础上，涌现出许多材料制备和改性的新技术，如材料复合技术、表面改性与加工技术、纳米超细粉及纳米材料的制造技术等。通过复合技术，可以把无机原料、金属、有机原料等科学地结合起来，集多种材料的优点于一身，同时又具有很大的材料设计自由度。所以，现代高性能复合材料是最能体现“一材多用”的品格了。功能和智能复合材料是现代世界各国备受重视的研究热点。

其次，造就超常的环境条件、创造特殊的新材料。如上所述，科学家一般是通过改变材料的内部组成和结构来达到材料的多功能和高性能的目的。但在许多情况下，还必须具备特殊的环境，才能创造出某些特殊功能的材料。

在这里所指的特殊环境有：超高压，超低压（高真空），超速加热和超速骤冷，超重力场和无重力场等。在5×10⁶千帕压力下，可使柔软的石墨变成“硬度之王”金刚石；在超高压下还可使某些元素，如硒、碲、硅、锗、磷等产生超导特性。相反，在超低压（即高真空）环境下，不仅有些材料更容易加工，性能也会发生变化。在玻璃表面镀上金属膜就是其应用的一例。在每秒10³℃～10⁶℃的急速冷却条件下，可制造性能优异的非晶态合金；有的经超速急冷处理后，赋予材料新的性能，如延展性、电阻率提高，软磁性等。高速的圆周运动，可产生超重力场，在这种环境下，可分离一些在一般条件下无法分离的物质，可用于制造超纯、高结晶性材料。与此相反，在无重力场的环境下，如在航天飞机的“太空实验室”里，可以合成出在地面上根本不可能合成的优异特性的新材料。有人预计，无重力场环境技术，将可能导致一次巨大的技术革命。

第三，重视材料再利用技术的研究，变“废”为宝。原材料的消耗量往往是与一个国家的经济和科学技术发展状况成正比的。科学家的使命是，一方面要利用有限的资源开发出高性能的新材料；另一方面设法延长制品的服役期；再就是使废弃材料再生。“废材”，就是一个不断增长的资源库。“废材”再生利用，也是保护人类这个已经“千疮百孔”的地球的高明举措。