■李家俊

南開中學(xué)邀請我來做報(bào)告，我想講講我熟悉的領(lǐng)域——材料科學(xué)。

先從我們身邊的事情講起。大家都知道喬布斯的產(chǎn)品風(fēng)靡世界，他的iPhone和iPad是很多年輕人不離身的工具。這兩個設(shè)備比較吸引人的是它們的觸摸屏。為什么手指觸摸能夠?qū)懭胄畔ⅲ坑|摸屏是個透明的導(dǎo)電玻璃，手指接觸的時候人體電場與導(dǎo)電玻璃形成一個耦合電容，電容在高頻電流下可以導(dǎo)電，手指從接觸點(diǎn)吸走了一個很小的電流，電流通過屏幕四個角上的電極流出，流經(jīng)這四個電極的電流與觸點(diǎn)的距離是成正比的，因此控制器通過對這四個電流比例的精確計(jì)算，定位手指的位置。為什么iPhone和iPad這么精確？原因就在這里。

觸摸屏的核心材料叫ITO。觸摸屏看著很薄，實(shí)際有五層，表面是保護(hù)層，保護(hù)層下面是黏合層，黏合層下面是電極層，電極層下面是玻璃基板，最下面是LCD的顯示屏。我們看到的實(shí)際就是顯示屏，里面的關(guān)鍵材料是ITO，也就是透明導(dǎo)電玻璃。ITO是銦和錫的氧化物，由90%的三氧化二銦和10%的二氧化錫組成。這種材料突破了透明材料不導(dǎo)電、導(dǎo)電材料不透明的難題。早在1907年，Badeker就發(fā)現(xiàn)金屬鎘薄膜氧化后具有透明和導(dǎo)電的特性，之后它被首次用于轟炸機(jī)玻璃的除霧，那時轟炸機(jī)都是靠人導(dǎo)航，靠望遠(yuǎn)鏡尋找目標(biāo)，所以這種材料的應(yīng)用顯得極為重要。目前ITO主要用于觸摸屏和太陽能電池的制造。

我們生活中有很多新材料，比如計(jì)算機(jī)的液晶LED是發(fā)光的半導(dǎo)體，計(jì)算機(jī)的核心材料是硅材料。另外比如用于疾病診斷的核磁共振成像儀，采用超導(dǎo)材料產(chǎn)生很強(qiáng)大的磁場，形成高水平、高分辨率的核磁共振。超級賽車，也就是全纖維的復(fù)合材料賽車，車身全部是玻璃纖維，車底座全部是由高密碳纖維組成的。這樣的賽車重量輕、速度快、省油、安全，翻幾個個兒駕駛員的安全也沒有問題。這些都是新材料的例子。下面我講幾個問題。

第一，材料為什么重要。材料是人類世界發(fā)展的支柱，是人類認(rèn)識世界、改造世界的載體、工具，或者說材料決定了人類文明的發(fā)展程度。遠(yuǎn)古的新石器、舊石器時代，那時的人類只能靠石頭加工工具，材料是石頭。到了青銅器時代，人類文明有了較大的進(jìn)步，封建社會的主要標(biāo)志是青銅器的使用，隨后是鐵器時代，現(xiàn)代則進(jìn)入電子材料時代。電子材料主要是硅，有了硅才有了現(xiàn)在的信息時代，而將來碳有可能成為最重要的材料。在青銅器時代、鐵器時代，中國在世界上都處于領(lǐng)先地位，所以創(chuàng)造了悠久的文明，比歐美早得多。兩次工業(yè)革命都以新材料的發(fā)明和廣泛應(yīng)用為先導(dǎo)。18世紀(jì)第一次工業(yè)革命，由于制鋼工業(yè)的發(fā)展開啟了鋼鐵時代；20世紀(jì)中葉以來的第二次工業(yè)革命，單晶硅的產(chǎn)生使人類進(jìn)入全新的信息時代。所以說材料是人類歷史的先導(dǎo)，它與能源和信息并稱為人類文明的三大支柱。但能源是在人類進(jìn)入工業(yè)社會后才成為支柱，信息也只有在人類進(jìn)入信息社會后才能發(fā)揮支柱作用。

第二，材料怎樣分類。按組成與結(jié)構(gòu)可以分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料。按性能可以劃分為結(jié)構(gòu)材料與功能材料。桌子、地面、樓等所有結(jié)構(gòu)上使用到的能承受力學(xué)載荷的材料都屬于結(jié)構(gòu)材料；功能材料則是指具有特殊的聲、光、電、磁、熱等物理性能或化學(xué)性能的材料。目前功能材料是研究的熱點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)材料是人類永恒的主題。材料還可以按照用途分類，有電子信息材料、航空航天材料、能源材料、生物醫(yī)用材料等等。

第三，材料學(xué)科的發(fā)展和材料工程的概念。材料學(xué)科成立是近幾十年的事，在歷史上材料學(xué)科一直都是其他學(xué)科的分支。中國現(xiàn)存最早的材料研究記錄，根據(jù)我的初步了解是北洋大學(xué)（天津大學(xué)的前身）土木工程系里的材料研究所留下的。北洋大學(xué)于1895年成立，初期主要有土木工程、水利工程、機(jī)械、礦業(yè)和法律等中國工業(yè)起步階段非常急需的學(xué)科。無論什么專業(yè)都需要材料。材料科學(xué)與工程這一概念是1957年提出來的。俄羅斯人造衛(wèi)星上天以后，美國壓力很大，總結(jié)出追趕的關(guān)鍵在于材料。于是美國的教授們提出了“材料科學(xué)”這一概念，被世界所廣泛接受。20世紀(jì)20年代，固體物理和材料這兩個學(xué)科是分離的，30年代逐漸融合，60年代材料工程與固體物理有了交叉，直到70年代才真正形成材料科學(xué)與工程這門學(xué)科。天津大學(xué)是中國最早開設(shè)材料學(xué)科的大學(xué)之一，其材料學(xué)科反映了中國材料學(xué)科的發(fā)展。它的金屬材料專業(yè)成立于1958年，無機(jī)非金屬材料專業(yè)是1952年成立的，高分子材料建于1958年，腐蝕與防護(hù)專業(yè)是1962年成立的，這四個專業(yè)在1985年組成材料系，是中國最早的材料系之一。1997年成立材料科學(xué)與工程學(xué)院，我很榮幸擔(dān)任這個學(xué)院的首任院長?，F(xiàn)在的材料科學(xué)與工程學(xué)院有材料學(xué)、材料加工、材料物理和化學(xué)三個二級學(xué)科。天津大學(xué)的材料科學(xué)與工程一級學(xué)科是國家重點(diǎn)學(xué)科。

第四，是我今天報(bào)告的主要內(nèi)容，介紹世界上新材料的發(fā)展趨勢，包括新能源材料、環(huán)境材料、超導(dǎo)材料、結(jié)構(gòu)材料、航空發(fā)動機(jī)用高溫材料和納米材料。

先說說新能源材料。能源危機(jī)、環(huán)境污染是人類社會面臨的重要課題。煤炭的儲量估計(jì)能供人類使用200到500年，石油是40到100年，天然氣能使用170年。這些能源的儲量是有限的，更重要的是使用這些能源對地球的空氣污染非常嚴(yán)重。據(jù)美國能源研究院的統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在可再生能源占能源消費(fèi)總量的比例非常小，預(yù)測到2030年可能達(dá)到30%，到2050年也許能達(dá)到50%。目前主要應(yīng)用的還是化石能源，石油大概占35%，煤占了接近25%，天然氣占20%，核能占6%。而可再生能源應(yīng)用比例非常低，比如太陽能，現(xiàn)在只占0.5%。而所有可再生能源應(yīng)用技術(shù)的突破點(diǎn)都在于新材料的運(yùn)用，比如由于材料研究方面的突破，薄膜太陽能電池的使用在2006年時出現(xiàn)井噴式的增長，到了2010年左右，進(jìn)入了一個比較穩(wěn)定的增長時期。

太陽能電池經(jīng)歷了四個發(fā)展階段。第一代是單晶硅和多晶硅，第二代是薄膜太陽能電池，在這個領(lǐng)域南開大學(xué)做得非常成功，他們的項(xiàng)目建設(shè)在天津港保稅區(qū)。第三代是染料敏化太陽能電池，這種電池具有很好的發(fā)展前景。我要重點(diǎn)介紹一下第四代，就是量子點(diǎn)材料的太陽能電池，這種電池可能預(yù)示著未來太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的重大突破。所有的太陽能電池研究，目的都在于提高太陽能電池的效率、降低成本、確保使用的穩(wěn)定性，建立一個合理的平衡。根據(jù)美國科學(xué)家進(jìn)行的理論計(jì)算，目前太陽能電池的轉(zhuǎn)化率存在一個理論極限。硅的太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率最高只有31%，實(shí)驗(yàn)室里能達(dá)到百分之二十幾，但真正使用中能達(dá)到百分之十幾就非常好了。量子點(diǎn)是一種新的光敏材料，一種半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料的尺寸小到一定程度，這種材料就叫做量子點(diǎn)材料。它有一個特性，一個光子可以使量子點(diǎn)產(chǎn)生2～3個電子，至少可以有2～3倍的電量產(chǎn)生。量子點(diǎn)可大可小，根據(jù)自身大小量子點(diǎn)能吸收的光波也是不一樣的，所以它的光波選擇范圍很寬。這是天津大學(xué)一位名叫杜希文的年輕教授所做的研究。他研發(fā)了海綿狀的量子點(diǎn)材料，比傳統(tǒng)量子點(diǎn)材料的電流密度提高三倍。這篇文章刊登在一個著名的材料化學(xué)雜志上，并被選為封面論文和研究亮點(diǎn)。杜教授經(jīng)過進(jìn)一步工作，把這個量子點(diǎn)材料做成了蜂窩狀結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光生電流提高18倍，當(dāng)然這離工業(yè)化使用還有一定的距離。

再講一講光化學(xué)材料。我們知道萬物生長靠太陽，綠色植物吸收光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，化學(xué)能以糖的形式儲存在植物里。食草動物吃植物，然后食肉動物吃食草動物，這樣就形成了食物鏈。實(shí)際上所有的化學(xué)能量都是由光合作用產(chǎn)生的。所以科學(xué)家就設(shè)想，能不能利用光合作用的原理進(jìn)行人工光合成，用以制備太陽能燃料。這是科學(xué)家長期以來追求的一個夢想，也是目前世界上最先進(jìn)的一個研究方向。這里要提到美國現(xiàn)任能源部部長、諾貝爾獎獲得者、著名的原子物理學(xué)家朱棣文。朱棣文2010年訪問天津大學(xué)并發(fā)表演講。朱棣文為什么會來到天津大學(xué)呢？因?yàn)樗耐庾娓咐顦涮锸潜毖蟠髮W(xué)時期的一位校長，他是回來尋根的。他領(lǐng)導(dǎo)的美國能源部倡導(dǎo)成立了美國的能源創(chuàng)新中心，通過組建多學(xué)科高度合作團(tuán)隊(duì)，采取與眾不同的途徑，優(yōu)先解決人工光合成制造太陽能燃料所涉及的技術(shù)挑戰(zhàn)。其中重要技術(shù)之一就是半導(dǎo)體光催化。這項(xiàng)技術(shù)是利用半導(dǎo)體材料和太陽光把水分解成氫和氧。另外，光催化還可以把二氧化碳還原為碳?xì)浠衔铮刺柲苋剂?。天津大學(xué)也有課題組在做上述前沿領(lǐng)域的相關(guān)研究工作。我們都知道“減排”就是減少二氧化碳的排放。對這個令人頭疼的問題人類采取了很多辦法，有人建議利用大的地下坑道捕獲二氧化碳進(jìn)行深埋。實(shí)際上，如果采用光催化還原的技術(shù)就可以把二氧化碳變成甲烷等高附加值的燃料及其他化學(xué)品。所以說這是一項(xiàng)可以變廢為寶的神奇技術(shù)。

再講一下吸波材料，也就是現(xiàn)在說的隱身材料。大家知道海灣戰(zhàn)爭中美國的F-117A創(chuàng)造了隱形戰(zhàn)機(jī)“無法被發(fā)現(xiàn)和擊中”的“神話”：42架F-117A出動了近1300架次，投彈2000多噸，轟炸了戰(zhàn)略目標(biāo)清單中40%以上的目標(biāo)，其自身卻無一損失。伊拉克盡管擁有相當(dāng)數(shù)量的雷達(dá)，卻探測不到飛機(jī)在哪里。F-117A隱形戰(zhàn)機(jī)就采用了當(dāng)時最先進(jìn)的隱身材料。科索沃戰(zhàn)爭后美國很緊張，認(rèn)為這個技術(shù)被其他國家包括中國拿走了。F-117A在美國本土墜落的時候，美國聯(lián)邦調(diào)查局（FBI）封鎖了現(xiàn)場，不允許任何材料的流失。隱形飛機(jī)、坦克、艦船，都是依靠紅外隱身、迷彩、激光隱身、雷達(dá)隱身、聲隱身等隱形材料和隱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到隱形目的的。隱身材料吸收雷達(dá)波的原理為：雷達(dá)波發(fā)出以后，材料吸收了雷達(dá)波并轉(zhuǎn)變成熱能散發(fā)掉，這樣就無雷達(dá)波返回，在雷達(dá)屏幕上就沒有信號。我在十幾年前做過吸波材料的研究。吸波材料在日常生活中也有廣泛的應(yīng)用，如孕婦穿的防輻射服，能夠阻擋各種電子設(shè)備發(fā)出的電磁波。

下面談?wù)劤瑢?dǎo)材料。《阿凡達(dá)》是風(fēng)靡一時的美國大片，電影中哈利路亞山為什么能夠懸浮在空中呢？電影中人類為什么要去占領(lǐng)潘多拉星球呢？其實(shí)這一切都源于超導(dǎo)，因?yàn)榕硕嗬乔蛴腥祟悏裘乱郧蟮氖覝爻瑢?dǎo)材料。正像電影中描述的那樣，如果能夠找到室溫超導(dǎo)材料，足以引發(fā)一場新的產(chǎn)業(yè)革命，給世界經(jīng)濟(jì)帶來新的增長點(diǎn)。超導(dǎo)材料為什么有如此重要的作用？這要從它的原理和基本特性說起。超導(dǎo)現(xiàn)象是指當(dāng)材料低于某一個溫度時，電阻突然變?yōu)榱恪９堑谝粋€被發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度僅有4.15K，也就是接近絕對零度。目前超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高可達(dá)160K，相當(dāng)于零下113度，已經(jīng)具有比較廣闊的應(yīng)用前景。零電阻的主要用途是輸電電纜。云南普吉有個試驗(yàn)站，是我國第一條超導(dǎo)線路的示范線，我參加了這個線的落成剪彩，是由天大的校友主持的。超導(dǎo)電纜輸電能力是常規(guī)銅電纜的十倍。超導(dǎo)材料還具有完全抗磁性。將超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體的上方，由于完全抗磁性，磁體和超導(dǎo)體之間會產(chǎn)生排斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。這就是電影《阿凡達(dá)》中那些大大小小的礦山懸浮在空中的原因。現(xiàn)實(shí)生活中，利用這種磁懸浮效應(yīng)已經(jīng)制成高速超導(dǎo)磁懸浮列車，其速度超過500公里/小時。超導(dǎo)材料的另一個效應(yīng)叫約瑟夫效應(yīng)，這種效應(yīng)在材料中的運(yùn)用也非常廣泛。約瑟夫效應(yīng)是指在兩塊超導(dǎo)體中間放置絕緣層會產(chǎn)生量子隧道效應(yīng)，電流會穿過絕緣體。超導(dǎo)體兩邊是零電壓時，會產(chǎn)生直流超導(dǎo)電流；超導(dǎo)體兩邊有一定電壓時，則會產(chǎn)生交流超導(dǎo)電流。若加一個與電流垂直的磁場，則超導(dǎo)電流隨磁場的變化規(guī)律就如光學(xué)中的衍射現(xiàn)象一樣，電流對磁場的變化將變得極其敏感。據(jù)此，可做成超導(dǎo)磁力儀，探測磁場的微弱變化，在生物磁性測量、尋找礦藏等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。

在超導(dǎo)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用方面曾有五位科學(xué)家獲得過諾貝爾獎。很多國家對超導(dǎo)非常重視，在超導(dǎo)研究領(lǐng)域投入很大力量。美國能源部認(rèn)為超導(dǎo)技術(shù)是21世紀(jì)電力工業(yè)唯一的高技術(shù)儲備。中國也將在2020至2050年推廣運(yùn)用超導(dǎo)技術(shù)。天津石各莊變電站是當(dāng)今世界上容量最大的超導(dǎo)限流器，是天津大學(xué)校友研發(fā)的，也是超導(dǎo)材料的重要產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。未來十年是超導(dǎo)市場發(fā)展和超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)化的十年，實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)是全人類的夢想。

再講一講生物材料的開發(fā)及應(yīng)用。像陶瓷、醫(yī)用金屬合金、醫(yī)用高分子材料、生物衍生和仿生材料是當(dāng)今研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，天津大學(xué)在這方面的研究也很活躍，有些研究成果在世界上處于領(lǐng)先地位或者非常有影響力。實(shí)際上很多具有特殊性能的生物材料就在我們身邊，等待我們發(fā)掘。比如生活中常見的蜘蛛絲就是一種優(yōu)異的生物材料。大家對于電影《蜘蛛俠》應(yīng)該都比較熟悉，“蜘蛛俠”之所以有那么高的本領(lǐng)，就是因?yàn)橹┲虢z。蜘蛛絲的強(qiáng)度是鋼絲的5倍，并且非常輕巧有彈性。此外蜘蛛網(wǎng)有個特點(diǎn)，就是局部破損后可以保持整體的完整性，所以說蜘蛛網(wǎng)是一種非常好的智能材料。曾有科學(xué)家從材料結(jié)構(gòu)學(xué)的角度分析蜘蛛網(wǎng)破損的機(jī)制，這篇文章發(fā)表在世界上最頂級的科學(xué)雜志《自然》（Nature）上。他們從力學(xué)角度對蜘蛛網(wǎng)的受力行為及破損機(jī)制進(jìn)行了透徹的分析，為后期的材料開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。蜘蛛網(wǎng)究竟是由什么材料構(gòu)成，才使其具有如此特異的性能呢？蛛絲是從蜘蛛的腹部吐出來的，蜘蛛的腹部有很多噴頭，從多個噴頭射出的蛛絲最后組成一束蛛絲，所以我們看到的蜘蛛絲其實(shí)不是一根而是一束。而這一束蜘蛛絲實(shí)際上是一個殼核結(jié)構(gòu)，內(nèi)部是纖維核，核內(nèi)由一束蛛絲組成，其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。蛛絲屬于一種常見的生物材料，科學(xué)家通過對它構(gòu)成的解析，發(fā)現(xiàn)蛛絲在受到外力沖擊的時候，它的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)會發(fā)生轉(zhuǎn)變，使其受到的外界沖擊力降到最低，這就是它能進(jìn)行智能調(diào)節(jié)的原理。簡單而言，蜘蛛絲的特異功能實(shí)際上是通過氨基酸的蛋白結(jié)構(gòu)變化來實(shí)現(xiàn)的。

正是因?yàn)橹┲虢z具有如此優(yōu)異的性能，所以科學(xué)家希望人工合成仿蛛絲材料，比如利用高分子材料靜電紡絲技術(shù)制備人工蛛絲。另外一個方法更聰明，也更具有挑戰(zhàn)性，就是運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)制造人工蜘蛛絲。大家知道，蠶可以吐絲，而且溫順好養(yǎng)?？茖W(xué)家通過對蜘蛛基因的深入研究，已經(jīng)明確了調(diào)節(jié)蜘蛛絲蛋白的基因，并成功地將這個基因轉(zhuǎn)入到蠶中。這樣，轉(zhuǎn)基因蠶吐出來的絲結(jié)成的蠶繭就有蜘蛛絲的獨(dú)特性能。目前，該項(xiàng)研究已經(jīng)成功完成實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。將來我們很可能通過上述兩個途徑大量生產(chǎn)人造蛛絲，進(jìn)而利用蛛絲的韌性好、安全性高、生物相容性好及可降解等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其在工業(yè)、航空航天及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值。

中國要提高飛機(jī)發(fā)動機(jī)的研發(fā)水平，關(guān)鍵要解決材料問題，所以飛機(jī)發(fā)動機(jī)的研發(fā)可能會列入國家重大科技專項(xiàng)。實(shí)際上，我國很早就在研究航空發(fā)動機(jī)，1934年北洋大學(xué)已經(jīng)研制成功中國第一臺飛機(jī)發(fā)動機(jī)。航空發(fā)動機(jī)主要采用金屬材料和陶瓷材料。飛機(jī)渦輪發(fā)動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)是葉片。葉片是高溫材料，表面有一層陶瓷層，耐磨，耐高溫，這個陶瓷是不能掉的，掉一小塊就可能釀成重大安全事故。這是一個技術(shù)難題。天津大學(xué)在這方面做過大量卓有成效的工作。天津大學(xué)校友、兼職教授師昌旭先生是國家最高科學(xué)技術(shù)獎獲得者。他為我國航空發(fā)動機(jī)用高溫合金的研發(fā)做出過重大貢獻(xiàn)。

最后講的材料是納米材料。2010年諾貝爾物理獎的獲得者，一位叫安德烈·海姆，另一位叫康斯坦丁·諾沃肖洛夫，他們在2004年發(fā)現(xiàn)了石墨烯，2010年獲得諾貝爾獎。這是諾貝爾獎歷史上從成果公布到獲獎間隔時間最短的一次，僅用了6年的時間。很多諾貝爾獎都是成果公布后經(jīng)過幾十年后才獲得的。石墨烯是世界上最薄但最堅(jiān)硬的納米材料，實(shí)際上它是由碳原子組成的紙狀平面薄膜，是只有一個碳原子厚度的二維材料。關(guān)于它的發(fā)現(xiàn)有一個傳說，是海姆自己講的故事。當(dāng)時很多人都在研究怎么得到最薄的碳材料，海姆想把裂解石墨做成最薄，他把這個任務(wù)交給一個留學(xué)生，讓他用化學(xué)拋光法來制備。三個星期后，這個留學(xué)生對海姆說他成功了。但其實(shí)他只是獲得一些很小的石墨點(diǎn)，仍然有10微米厚，大概1000層左右。海姆很不高興地說你能否再研磨得薄一點(diǎn)。然而這位留學(xué)生卻叫板：如果你這么聰明，你自己試試。于是海姆決定自己來試。但是拋光法不行，海姆決定用透明膠帶。他用膠帶紙粘一小塊石墨、折疊，然后再撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。屢次重復(fù)這一過程，最后得到薄薄一層的石墨，名字叫做石墨烯。這是一次偶然的發(fā)現(xiàn)，可惜的是這位留學(xué)生沒有堅(jiān)持下去，否則諾貝爾獎上也會有他的名字。碳納米材料家族中第一個諾貝爾獲獎?wù)呤撬鼓Ｋ敲绹囁勾髮W(xué)的教授，1984年發(fā)現(xiàn)富勒烯，1996年獲得諾貝爾化學(xué)獎。當(dāng)時他和其他幾位研究者在氦氣流中以激光汽化蒸發(fā)石墨，然后在形成的碎末中尋找新的材料，其中有一個60個碳原子構(gòu)成的材料引起了他們的極大關(guān)注。當(dāng)時沒有人知道這是什么材料，斯莫利與研究數(shù)學(xué)、化學(xué)的幾個科學(xué)家一起研究，將60個碳原子材料解析出來了：60個碳原子正好組成一個分子，頂端是碳，具有60個頂點(diǎn)和32個面，形似足球，所以把這種結(jié)構(gòu)叫做富勒烯，也稱C60。這個發(fā)現(xiàn)讓他和另兩位科學(xué)家獲得了1996年諾貝爾獎化學(xué)獎。C60是碳納米材料家族中的一個典型代表，它可以儲存氣體，可以藥用，也可以清潔用。C60出現(xiàn)不久后碳納米管就被日本的飯島教授發(fā)現(xiàn)了，它相當(dāng)于把一層或數(shù)層石墨烯卷起來形成的柱狀。用化學(xué)合成法，現(xiàn)在可以非常容易地合成幾公斤量的碳納米管。如何把碳納米管做得很長是目前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，天津大學(xué)的李亞利教授在這一領(lǐng)域取得了突破。他制造了幾千米長的碳納米管纖維，創(chuàng)造了中國紀(jì)錄，甚至是世界紀(jì)錄。人類曾經(jīng)有個設(shè)想，希望做個梯子與太空鏈接，航天員可以通過梯子直接登上太空。但是當(dāng)時沒有任何一種材料可以制作這種梯子，因?yàn)檫@么長的梯子，其自重就難以承受。但在碳納米管出現(xiàn)以后，這個設(shè)想理論上就可以實(shí)現(xiàn)了，這樣以后登月就不用航天飛機(jī)了。碳納米管是非常好的電導(dǎo)體材料，在一定條件下它可以變成超導(dǎo)狀態(tài)。石墨烯可以做電子元器件，導(dǎo)電能力也非常強(qiáng)，是銅的一萬倍，如果用石墨烯做手機(jī)的觸摸屏，iPhone完全有可能像紙一樣薄。未來石墨烯是否能取代ITO，取決于其成本能否降到普通大眾能用得起?，F(xiàn)在這一研究的進(jìn)展非常順利，韓國科學(xué)家已經(jīng)發(fā)明了用多層石墨烯、玻璃纖維、聚酯片和機(jī)體組成的柔性透明的顯示屏。今年4月初，谷歌公布了“增強(qiáng)眼鏡計(jì)劃”，以實(shí)現(xiàn)谷歌功能的便攜化。其中最大的突破就是新材料的研發(fā)。

（以上是李家俊校長于2012年6月15日在南開公能講壇上所作的報(bào)告，本刊登載時有刪節(jié)。）