辛妍

2013年，來自英國(guó)劍橋大學(xué)、荷蘭烏得勒支大學(xué)和美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)寫了一份題為“材料效率：用更少的材料生產(chǎn)提供材料服務(wù)”的報(bào)告。報(bào)告中指出，在未來40年，隨著人口的增長(zhǎng)和財(cái)富的增加，對(duì)材料的開采和加工的需求有可能會(huì)增加一倍，而這其中所需的處理對(duì)環(huán)境的影響將變得非常關(guān)鍵，特別是工業(yè)界驅(qū)動(dòng)了近三分之一的全球能源需求。如果世界想要達(dá)到其氣候變化的目標(biāo)并同時(shí)保持經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，那么僅靠發(fā)展低碳能源供應(yīng)和增加回收利用是不夠的，因此必須更有效地使用材料。

本文將探討鋼鐵、有色金屬、化工、建材等行業(yè)如何更有效地使用材料以達(dá)到環(huán)保的目的，同時(shí)也對(duì)新材料在半導(dǎo)體、稀土催化及新型汽車鋼方面的一些發(fā)展進(jìn)行闡述。

鋼鐵行業(yè)

鋼是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境責(zé)任相輔相成的綠色經(jīng)濟(jì)的核心，也是世界上最可再循環(huán)利用的材料。即使是150年前制造的鋼今天也可以回收并應(yīng)用于新產(chǎn)品中。按行業(yè)劃分，全球鋼鐵回收利用率在機(jī)械行業(yè)約為90%，建筑行業(yè)約為85%，汽車行業(yè)約為85%，電子和家用電器行業(yè)約為50%。這導(dǎo)致全球加權(quán)平均超過83%。如今，97%的鋼副產(chǎn)品可以被重復(fù)使用。

回收再利用廢金屬可減少溫室氣體排放量，并且比從原生礦石中制取金屬消耗的能量少。與使用原生礦石相比，回收舊鋼可節(jié)省56%的能源消耗。同時(shí)，鋼的回收再利用可以節(jié)省天然資源?；厥找粐嶄摽梢怨?jié)約1.13噸鐵礦石、635公斤煤和55公斤石灰石。

鋼也是創(chuàng)新和發(fā)展的行業(yè)，每年全球鋼鐵行業(yè)花費(fèi)超過120億歐元用于改進(jìn)制造工藝、新產(chǎn)品開發(fā)和未來的突破性技術(shù)。新型輕鋼極大地改變了市場(chǎng)。1937年，打造舊金山的金門大橋需要8.3萬噸鋼，而今天，只需要一半的量。而采用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（Advanced High Strength Steel，AHSS）作為結(jié)構(gòu)的車輛重量比使用常規(guī)鋼的車輛重量要減少35%，從而極大地減少了溫室氣體排放。

鋼鐵主要生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染物和廢棄物主要分三類：空氣污染物、廢水污染物和和固體廢物，同時(shí)需要消耗大量的水。在過去的二十年里，煉鋼技術(shù)和排放控制技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，加之更嚴(yán)格的政府法規(guī)，大大減少北美、西歐和日本的此類排放。通過引入堿性氧氣煉鋼，可以讓廢氣的收集和再循環(huán)以受控的方式進(jìn)行，從而減少排放量；而連續(xù)鑄造工藝的使用減少了能源消耗，從而減少排放量。在鋼鐵的總污染控制成本中，有超過一半以上涉及廢氣排放，估計(jì)達(dá)到總生產(chǎn)成本的1%～3%。空氣污染控制設(shè)備大約占工廠總投資的10%～20%。

鋼鐵行業(yè)環(huán)境保護(hù)的一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)是保持空氣清潔，減少硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、煙塵和粉塵等的排放。鋼鐵粉塵帶來健康風(fēng)險(xiǎn)，并且可能對(duì)環(huán)境造成滋擾。為防止灰塵逸出，鋼鐵生產(chǎn)商提取富灰塵煙氣，封閉儲(chǔ)存和鐵礦石輸送管道；為降低硫氧化物排放，鋼鐵企業(yè)盡量使用低硫燃料并進(jìn)行煙氣脫硫；為減少氮氧化物排放，鋼鐵企業(yè)使用先進(jìn)的燃燒器或廢氣處理設(shè)施。例如蒂森克虜伯（ThyssenKrupp）在德國(guó)的熱軋廠使用先進(jìn)的燃燒器，限制加熱爐的長(zhǎng)度，采用蓄熱式系統(tǒng)，從而達(dá)到低成本地有效減少氮氧化物排放的目的。通過使用先進(jìn)的除塵技術(shù)，輔之以二次除塵系統(tǒng)，灰塵顆粒物排放被降至最低。蒂森克虜伯從1975年開始使用該設(shè)備工藝，到2007年就已經(jīng)將總粉塵排放量減少了超過90%。

鋼鐵制造需要較高的溫度，大量水被用于非接觸式冷卻。為了盡量減少對(duì)地下水的開采，海水有時(shí)會(huì)被用于冷卻。引入水強(qiáng)度減少目標(biāo)并隨時(shí)映射和計(jì)量，可以通過檢測(cè)泄漏和異常消耗來幫助提高認(rèn)識(shí)，從而減少用水量。在閉環(huán)系統(tǒng)中，水經(jīng)處理可以重復(fù)使用40次以上。另外，水還被用于漂洗和清洗，這就需要安裝處理設(shè)備改善污水水質(zhì)。在美國(guó)，通常表現(xiàn)好的鋼鐵企業(yè)會(huì)將其水再循環(huán)利用技術(shù)與其他廠商共享。

有色金屬行業(yè)

有色金屬主要包括鋁、銅、鉛、鋅、鈦、鈹和鎳等，常被用于需要較少的重量、更高的強(qiáng)度、無磁性、較高的熔點(diǎn)或耐腐蝕的結(jié)構(gòu)建筑。它們還被指定用于電氣和電子應(yīng)用。其中，鋁因其低密度、耐腐蝕而備受關(guān)注。鋁及鋁合金制成的結(jié)構(gòu)組件對(duì)航空和航天工業(yè)，以及其他運(yùn)輸領(lǐng)域和結(jié)構(gòu)材料都相當(dāng)重要。

高科技設(shè)備壽命的不斷縮短以及對(duì)各種小工具日益增長(zhǎng)的需求增加了對(duì)有色金屬的需求。TechNavio的分析師預(yù)測(cè)，全球有色金屬市場(chǎng)在2013到2018年間的年復(fù)合增長(zhǎng)率為6.02%。而全球有色金屬市場(chǎng)也已經(jīng)目睹了日益嚴(yán)重的環(huán)境問題和能源制約。例如隨著全球鋁仍然供過于求，而原料和電力的價(jià)格卻持續(xù)上漲，全世界的鋁企業(yè)都被迫更重視削減生產(chǎn)成本，并減少鋁生產(chǎn)對(duì)環(huán)境造成影響的現(xiàn)代化生產(chǎn)流程。

比如俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)集團(tuán)（UC RUSAL）自2005年開始就啟動(dòng)了改進(jìn)鋁電解自焙工藝的項(xiàng)目。在2014年，KrAZ和BrAZ將開始逐步用綠色的連續(xù)自焙陽極電解槽取代現(xiàn)有的還原槽，這一轉(zhuǎn)型過程大約需要4到4.5年。通過采用這一新的生產(chǎn)工藝，鋁土礦不僅被用來生產(chǎn)氧化鋁，也能生產(chǎn)大量新產(chǎn)品。其結(jié)果是減少生產(chǎn)廢物，即紅泥。第一階段，預(yù)計(jì)紅泥的產(chǎn)出會(huì)下降30%左右，最終期望下降達(dá)50%～70%。在這種新工藝下，不僅僅是處置廢棄物，而是更高級(jí)的生產(chǎn)多樣化。

當(dāng)今世界的能源越來越貴。由于較低的能源消耗，廢金屬回收利用與開采和加工原生礦石相比，能顯著降低溫室氣體排放量。根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境署（United Nations Environment Programme，UNEP）的數(shù)據(jù)，鋁的回收利用比冶煉原生礦石節(jié)約92%的能源，而銅也可以節(jié)約90%的能源。在美國(guó)，由于政府的目標(biāo)是長(zhǎng)期減少溫室氣體排放，因此回收行業(yè)的吸引力極大。根據(jù)美國(guó)廢料回收工業(yè)協(xié)會(huì)（Institute of Scrap Recycling Industries，ISRI）的數(shù)據(jù)，有色金屬回收雖然數(shù)量小，但所占的價(jià)值份額卻高達(dá)全部金屬回收的50%。作為世界最大的銅回收生產(chǎn)商和歐洲最大的銅生產(chǎn)商，Aurubis AG公司的首席執(zhí)行官Willbrandt認(rèn)為，有色金屬行業(yè)是“高效和可持續(xù)的生產(chǎn)方法的驅(qū)動(dòng)器，有效利用資源的問題是有色金屬行業(yè)戰(zhàn)略的核心?！?/p>

化工行業(yè)

幾乎沒有一個(gè)行業(yè)不使用化學(xué)品，全世界數(shù)以百萬計(jì)的人都直接從化工行業(yè)得到好處。根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署2013年的數(shù)據(jù)，全球化工產(chǎn)業(yè)自2002年以來大幅增長(zhǎng)，目前產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)41億美元，而1970年僅為1.71億美元。

雖然化學(xué)品是世界經(jīng)濟(jì)的主要貢獻(xiàn)者，但為避免其對(duì)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)的重大和日益復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其整個(gè)生命周期的健全管理至關(guān)重要。2012年，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署在其《全球化學(xué)品展望》報(bào)告中指出，全球化工行業(yè)的增長(zhǎng)以及對(duì)健全管理的缺乏，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人類的健康和環(huán)境，并增加了財(cái)政負(fù)擔(dān)。報(bào)告中的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，某些化學(xué)品（包括鉛和農(nóng)藥）每年在全球估計(jì)造成96.4萬人死亡，占全球每年總死亡人數(shù)的1.6%。全球化工行業(yè)早已意識(shí)到化學(xué)品的生產(chǎn)和使用可能對(duì)人類健康和環(huán)境造成不利影響，因此多年來一直倡議發(fā)展化學(xué)品在使用、生產(chǎn)、運(yùn)輸和安全處置上的協(xié)調(diào)一致、全行業(yè)支持的最佳實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)。

自2002年以來，聯(lián)合國(guó)一直在推動(dòng)全球采用其國(guó)際化學(xué)品管理戰(zhàn)略方針（SAICM）。而目前全世界基本已經(jīng)對(duì)聯(lián)合國(guó)的目標(biāo)達(dá)成共識(shí)，即到2020年，世界各地的化學(xué)品的生產(chǎn)和使用方式，要最大限度地減小對(duì)人類健康和環(huán)境的重大不利影響。

歐盟有被稱為REACH（化學(xué)品的注冊(cè)、評(píng)估和授權(quán)）的化學(xué)品政策，并于2007年6月1日起作為法律開始實(shí)施。REACH的主旨是鼓勵(lì)將危險(xiǎn)化學(xué)品更換為更安全的化學(xué)品，并激勵(lì)企業(yè)和化工行業(yè)研究和開發(fā)更安全的產(chǎn)品。REACH要求企業(yè)對(duì)他們所使用的化學(xué)品負(fù)責(zé)，他們有責(zé)任證明化學(xué)物質(zhì)因?yàn)樗鼈兊氖褂梅绞蕉踩?/p>

此外，聯(lián)合國(guó)有一個(gè)全球統(tǒng)一的系統(tǒng)，稱之為GHS，用以識(shí)別確定危險(xiǎn)化學(xué)品，并通過在包裝和標(biāo)簽上標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)和短語，或通過安全數(shù)據(jù)表，向公眾和用戶傳達(dá)這些危害。這促使各國(guó)實(shí)施GHS作為一個(gè)統(tǒng)一基礎(chǔ)，提供一致的關(guān)于化學(xué)物質(zhì)和混合物的物理、環(huán)境和安全信息。

建材行業(yè)

建筑業(yè)消耗巨大數(shù)量的基礎(chǔ)材料，而制造這些材料會(huì)消耗大量的能源，產(chǎn)生驚人的溫室氣體排放量，對(duì)自然環(huán)境造成深遠(yuǎn)的影響。在北美，建筑物環(huán)境的溫室氣體排放量約占總排放量的三分之一，其能源、水和材料的消耗也基本如此。如果材料科學(xué)家和企業(yè)家可以設(shè)計(jì)出能用較少的能源制造出的材料，那么氣候變化可能會(huì)放緩，并可以為制造業(yè)創(chuàng)造許多新的就業(yè)機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)清潔技術(shù)創(chuàng)新這一萬眾矚目的承諾。與之類似，在歐洲，大多數(shù)人生活在城市中，每年有數(shù)十億歐元花費(fèi)在歐盟的城鎮(zhèn)和城市的建筑工程中。如果在建筑業(yè)實(shí)施可持續(xù)性發(fā)展原則意味著更高效地使用資源，并基于生態(tài)原則作出決策，這將幫助歐洲創(chuàng)建和管理一個(gè)更健康的建筑環(huán)境。

鑒于人們對(duì)“綠色建筑”的認(rèn)識(shí)日益提高，環(huán)境保護(hù)在建材行業(yè)中越來越受關(guān)注。如前文所言，一旦鐵礦石被開采并精煉成鋼，它的生命就永遠(yuǎn)不會(huì)結(jié)束，這使得鋼成為建筑行業(yè)部署可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想材料和首選材料。

建材行業(yè)也離不開混凝土（以硅酸鹽水泥為主要成分）。混凝土是世界上消耗第二多的物質(zhì)，平均每人每年使用近三噸，僅次于水。但生產(chǎn)混凝土對(duì)生態(tài)有重大影響：它使用大量的自然資源，包括石灰石、沙子，并需要大量的燃油和電力。此外，水泥行業(yè)的二氧化碳產(chǎn)出量?jī)H次于發(fā)電生產(chǎn)。盡管水泥生產(chǎn)已變得更有效率，行業(yè)的溫室氣體排放量也有所下降，但進(jìn)一步削減將變得相當(dāng)困難，因?yàn)樵谖磥?0年內(nèi)，預(yù)計(jì)全球?qū)炷恋男枨髮⒎环蚨庸な沂男枨髸?huì)增加，這必將產(chǎn)生大量的二氧化碳。因此，尋找方法以減少混凝土工業(yè)對(duì)環(huán)境的影響，尤其是其對(duì)全球變暖的影響至關(guān)重要。最近有很多研究在考察水泥行業(yè)減少溫室氣體排放量的潛力。這些研究大部分側(cè)重于使用替代材料來代替水泥來生產(chǎn)混凝土，這將會(huì)創(chuàng)造一個(gè)更加可持續(xù)的過程。最常用的替代品是工業(yè)過程中的廢棄物，如粉煤灰等，這也正體現(xiàn)了綠色設(shè)計(jì)。使用這些工業(yè)廢料生產(chǎn)水泥，即可以保護(hù)自然資源，又能減少與原生材料相關(guān)的能源使用和溫室氣體排放，同時(shí)還能保持水泥的強(qiáng)度和性能，并能因?yàn)闇p少?gòu)U物而取得環(huán)境效益。此外，這種加入替代性材料的混凝土往往可以循環(huán)再利用，需要的維護(hù)也較少，加之這些替代材料比原生材料便宜，因此產(chǎn)品往往更經(jīng)濟(jì)。隨著對(duì)建筑材料的需求繼續(xù)上升，在建材設(shè)計(jì)中使用回收工業(yè)廢棄物對(duì)業(yè)主和建筑商都具有經(jīng)濟(jì)意義。

除了使用替代材料，水泥行業(yè)中另一種減少溫室氣體排放量的方法是使用先進(jìn)技術(shù)，用以捕獲水泥生產(chǎn)過程中的二氧化碳，并將其制成其他產(chǎn)品，如碳酸鹽和碳酸等。比如卡萊拉公司（Calera Corp.）的新水泥的成功就顯示了新技術(shù)能帶來的巨大收益。卡萊拉首席執(zhí)行官Brent Constantz說，“全球每年生產(chǎn)的硅酸鹽水泥產(chǎn)生25億噸的二氧化碳排放。與之相比，卡萊拉的新工藝流程每生產(chǎn)一噸水泥，就可以封存半噸溫室氣體，并且淡水是新工藝的副產(chǎn)品。此外，如果水泥工廠建在燃煤發(fā)電廠旁邊的話，可以吸收發(fā)電廠的碳排放量，將其作為原材料”。

新材料

在日常生活中，環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展問題的重要性日益增加，而在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域更是如此。幾乎材料使用的每個(gè)方面，從開采與生產(chǎn)，到產(chǎn)品設(shè)計(jì)和最終處置問題，無一不受環(huán)境因素的制約。此外，還有許多情況下，新型環(huán)保材料的開發(fā)為材料科學(xué)家和工程師提出了新的挑戰(zhàn)。對(duì)環(huán)境問題的認(rèn)識(shí)不斷提高，增加了對(duì)材料行業(yè)的關(guān)注。材料工程的正面形象應(yīng)該是一個(gè)處于技術(shù)進(jìn)步最前沿的行業(yè)，不僅是處理過去的錯(cuò)誤，還要推動(dòng)可持續(xù)和安全使用的材料的未來。

【半導(dǎo)體】半導(dǎo)體器件的快速創(chuàng)新和改變受到兩種不斷增長(zhǎng)的需求的驅(qū)動(dòng)：一是對(duì)更長(zhǎng)的電池壽命的需求，另一個(gè)是對(duì)更快的計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備性能需求。以前，半導(dǎo)體器件主要由硅或二氧化硅制成，再加上一些摻雜劑和象鈦、錫、氮化鈦和銅一類的導(dǎo)電金屬。現(xiàn)在，通過幾何縮放取得性能增益的時(shí)代已經(jīng)過去，未來的利益將來自材料工程和設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更改，而新材料的使用才剛剛開始。

2014年1月15日，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬授予北卡羅萊納州的一個(gè)新的制造中心7千萬美元項(xiàng)目援助。此次將應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)匯集起來的目的只有一個(gè)：做出更好的半導(dǎo)體。項(xiàng)目中的伊利諾伊大學(xué)工程博士、助理教授Lucy Shi多年來一直致力于研究可能取代硅成為半導(dǎo)體基礎(chǔ)的材料，比如氮化鎵化合物。氮化鎵有獨(dú)特的化學(xué)屬性，比如低電阻，導(dǎo)致比硅更小的功率損耗。

源于英國(guó)華威大學(xué)的Anvil半導(dǎo)體有限公司于2013年底獲得私人資助，用于開發(fā)和商業(yè)化碳化硅半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)的功率器。而在北卡羅萊納州的研究中心，將會(huì)測(cè)試復(fù)合碳化硅，即一種硅和碳的化合物的性能。被《美國(guó)科學(xué)》雜志評(píng)為“半導(dǎo)體革命的八大英雄”之一的北卡羅萊納州的教授Baliga對(duì)碳化硅的能力非常有信心。他說，“我通過我的理論表明，碳化硅應(yīng)該比硅好1000倍。”

2013年9月，臺(tái)灣公司SEMICON發(fā)布了兩種新CMP材料，TECATRON CMP（PPS）和TECAPEEK CMP（PEEK）。TECATRON CMP具有出色的耐磨損性及耐化學(xué)藥品和溶劑性，這意味著使用壽命的增加，從而降低非生產(chǎn)性時(shí)間和單位成本。TECAPEEK CMP除了具有韌性和尺寸穩(wěn)定性，也同時(shí)具有出色的耐磨損性。加之良好的抗化學(xué)腐蝕性，這些特征都確保了較長(zhǎng)的使用壽命。改善的加工特性允許更高的處理速度，需要更少的去毛刺工作，從而使生產(chǎn)率顯著提高。這兩種新材料非常適合用于定位環(huán)的制造，因?yàn)闉榱朔乐箵p壞晶片從而增加可用集成電路的產(chǎn)量，這些制造必須在特定的精度和尺寸精度下進(jìn)行。這兩種新材料的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在制造工廠得到證實(shí)。

2013年4月，俄亥俄州立大學(xué)的化學(xué)家開發(fā)出了一項(xiàng)新技術(shù)，可以制成一個(gè)原子厚度的鍺片——germanane，這種材料的結(jié)構(gòu)與由單層碳原子組成的二維材料石墨烯非常接近。俄亥俄州立大學(xué)的化學(xué)助理教授Joshua Goldberger說，雖然大多數(shù)人認(rèn)為石墨烯是未來的電子材料，但是畢竟硅和鍺仍是目前的材料。所以，他們一直在尋找具有良好特性的硅和鍺的獨(dú)特形式，從而使用現(xiàn)有的技術(shù)和較低的成本來獲得新材料的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)研究人員的計(jì)算，電子在germanane中的移動(dòng)速度比在硅中快十倍以上，比在常規(guī)鍺中快五倍以上。憑借這一高流動(dòng)性，germanane可以承受未來高性能計(jì)算機(jī)芯片所增加的負(fù)載。

半導(dǎo)體行業(yè)的成長(zhǎng)正是依賴于這些材料和技術(shù)創(chuàng)新。在材料方面，未來五年的巨大變化將是Ge和III-V族材料的應(yīng)用，從而進(jìn)一步改善電子流動(dòng)性，比如砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）等在邏輯器件n-和p-通道的實(shí)施。進(jìn)一步，硅晶體管器件可能部分或完全被基于碳的技術(shù)所取代。最受關(guān)注的兩個(gè)碳同素異形體是碳納米管和石墨烯。碳納米管和石墨烯有潛力滿足市場(chǎng)的需求，使晶體管更具有柔韌性和適印刷性，并從更低的原材料成本和加工成本兩方面來降低成本。事實(shí)上，在2013年夏天，第一臺(tái)只包含碳納米管晶體管的計(jì)算機(jī)已經(jīng)被生產(chǎn)出來。當(dāng)然，最終哪種技術(shù)勝出還有待觀察，但可以肯定，隨著社會(huì)對(duì)電子設(shè)備的性能和可靠性的需求不斷提高，在全球范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體材料的快節(jié)奏創(chuàng)新將會(huì)持續(xù)。

【稀土催化劑】強(qiáng)大的催化劑的開發(fā)可以有重大的影響，甚至改變社會(huì)。僅在過去的十年，就有九名科學(xué)家因?yàn)樵陂_發(fā)新的催化劑方面的成就而獲得諾貝爾獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)，這其中就包括其中包括RIKEN高級(jí)科學(xué)研究所主席Ryoji Noyori。

稀土金屬不同于主族金屬和過渡金屬。通過充分利用它們的特征，可能會(huì)開發(fā)出新的催化劑，從而有可能進(jìn)行以其他方式不可行的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的物質(zhì)。然而一旦與空氣或潮濕接觸，稀土金屬催化劑會(huì)很快分解，所以很難處理。這也是稀土催化劑難以研究的原因之一。

“新催化劑、新反應(yīng)、新材料”是RIKEN高級(jí)科學(xué)研究所有機(jī)金屬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究活動(dòng)的口號(hào)，而實(shí)驗(yàn)室的主要目標(biāo)之一就是使用稀土金屬開發(fā)新的催化劑。作為實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家，Zhaomin Hou已經(jīng)利用稀土金屬成功開發(fā)出一些新的催化劑，而之前很少有相關(guān)的應(yīng)用被發(fā)現(xiàn)。

2004年，Hou開發(fā)出攜帶一環(huán)戊二烯配體的鈧催化劑。隨后，通過使用鈧催化劑，Hou將乙烯引入間規(guī)結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯，從而產(chǎn)生具有新功能的堅(jiān)韌、柔軟并有高加工性的高分子材料，這一成就為合成新型功能的高分子材料鋪平了道路?；谙⊥两饘兮?，Hou又開發(fā)了兩種催化劑。使用這些催化劑，通過反應(yīng)，Hou能夠合成一種具有間規(guī)結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯和順式-1，4結(jié)構(gòu)的異戊二烯聚合物。這一重大成就已于2011年10月公布于世。

2005年，Hou使用稀土金屬釔成功開發(fā)出一種新的聚合催化劑，并用它創(chuàng)造了超過天然橡膠功能的合成橡膠。Hou介紹說，“雖然結(jié)構(gòu)相同，但天然橡膠的分子量和聚異戊二烯的長(zhǎng)度是可變的。相比之下，我們所生產(chǎn)的合成橡膠中的聚異戊二烯具有幾乎恒定的分子量。此外，天然橡膠含有雜質(zhì)，可能會(huì)引起過敏，而我們的合成橡膠不含雜質(zhì)，擁有超越天然橡膠的性能。”

Hou這樣評(píng)價(jià)自己的研究：“我的研究中所使用的所有的催化劑都含有稀土金屬，我相信，通過組合使用稀土金屬催化劑和第4族過渡金屬催化劑，可以創(chuàng)建使用常規(guī)催化劑難以合成的新型高分子材料?！?/p>

【新型汽車用鋼】如今，汽車工業(yè)正面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，這既包括新的更嚴(yán)苛的環(huán)境法規(guī)，也包括經(jīng)濟(jì)衰退后縮小的市場(chǎng)需求。隨著汽車市場(chǎng)尋找創(chuàng)新的方法來滿足未來的企業(yè)平均燃料經(jīng)濟(jì)性（Corporate Average Fuel Economy，CAFE）的要求，預(yù)計(jì)到2025年，平均輕型車輛燃油經(jīng)濟(jì)性將增加近一倍，達(dá)到54.5mpg。而歐洲的碳排放立法也驅(qū)動(dòng)了汽車的輕量化發(fā)展。與之對(duì)應(yīng)，北美鋼鐵行業(yè)持續(xù)在先進(jìn)材料和制造技術(shù)方面進(jìn)行投資，推出了各式各樣的新型汽車用鋼。大范圍的高強(qiáng)度鋼意味著制造商可以只通過使用更薄的鋼就可以實(shí)現(xiàn)輕量化。

如今，新的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼正以其獨(dú)特的冶金性能和可制造性使汽車行業(yè)能夠以合理的成本滿足日益嚴(yán)格的要求。使用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的車輛不僅可以節(jié)省材料，還有助于減少車輛整個(gè)生命周期的溫室氣體排放量，包括制造、行駛和回收利用。相比于鋼的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手鋁和塑料，先進(jìn)高強(qiáng)度鋼的增長(zhǎng)速度更快。每一年，都會(huì)推出使用重量更輕、強(qiáng)度更高的鋼組件的新車型，為增高的安全性和燃料經(jīng)濟(jì)性需求提供具有成本效益的答案。

如果將目前可用的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼應(yīng)用到美國(guó)汽車車隊(duì)，來自于汽車的溫室氣體排放將大約減少12%，這一數(shù)量甚至超過了當(dāng)前整個(gè)美國(guó)鋼鐵工業(yè)所產(chǎn)生的溫室氣體排放量。目前，世界各地的汽車設(shè)計(jì)師都已經(jīng)將減少排放量融入到設(shè)計(jì)中，在車輛中使用越來越多的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼。現(xiàn)在，車輛平均包含僅175磅的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，但預(yù)計(jì)到2020年，這一數(shù)量將翻倍。作為美國(guó)能源部（DOE）先進(jìn)制造倡議的一部分，高強(qiáng)度、輕量鋼制成的汽車不久的將來就會(huì)開到你的面前。

為滿足2025年嚴(yán)格的平均燃料經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)，下一代輕型汽車的設(shè)計(jì)師們可能希望同時(shí)使用高強(qiáng)度鋼和鋁合金這兩種材料，以生產(chǎn)足夠輕但強(qiáng)度高的安全結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，在2013年的雅格中，本田公司使用攪拌摩擦點(diǎn)焊，首次成功在鋁陽極中加入鋼陰極。

Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和科羅拉多礦業(yè)學(xué)院（CSM）的研究人員正憑借他們的專業(yè)知識(shí)，計(jì)劃用三年的時(shí)間，耗資120萬美元，為汽車行業(yè)完成開發(fā)新的高級(jí)鋼的項(xiàng)目。新項(xiàng)目的目標(biāo)是要消除制造零部件時(shí)要加熱到900攝氏度所需的時(shí)間和能量，從而滿足安全要求，在室溫下生產(chǎn)鋼，但仍保持可塑性。該項(xiàng)目將使用更清潔的制造方法，消除工藝流程中的傳統(tǒng)熱處理及其相關(guān)費(fèi)用與危害。

NanoSteel公司的研究科學(xué)家們?yōu)樾碌南冗M(jìn)高強(qiáng)度鋼板材料設(shè)計(jì)了一種新的納米尺度的微結(jié)構(gòu)，或稱之為納米結(jié)構(gòu)，它可以處理高負(fù)荷，并保有在室溫下被塑造并形成汽車零部件的能力。納米結(jié)構(gòu)提供獨(dú)特的高強(qiáng)度和高延展性組合，能產(chǎn)生現(xiàn)有先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板材邊界之外的下一代性能。

總部設(shè)在俄羅斯的Severstal公司于2011年宣布計(jì)劃打造“突破性汽車用鋼”。Severstal稱，這種更先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼具有超過40%的伸長(zhǎng)率，意味著它可以在現(xiàn)在的尺寸基礎(chǔ)上再擴(kuò)展40%以上。如果用測(cè)量材料剛度的兆帕強(qiáng)度來衡量的話，大多數(shù)鋼在1000兆帕強(qiáng)度以下，而這種新高強(qiáng)度鋼達(dá)2000兆帕強(qiáng)度。

WorldAutoSteel的最新研究認(rèn)為，在不久的將來，鋼結(jié)構(gòu)車身的重量會(huì)與目前的鋁結(jié)構(gòu)車身重量一樣輕，同時(shí)還能滿足所有的碰撞性能標(biāo)準(zhǔn)，而其成本與目前的鋼結(jié)構(gòu)成本相當(dāng)。

未來如何，我們無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但有一點(diǎn)可以肯定，未來能領(lǐng)軍的公司一定是那些能成功地開發(fā)出新產(chǎn)品，從而讓我們的生活更美好、我們的地球更健康的公司。