編譯 之涵

2017年，全球年資源使用量近900億噸，到2050年可能增加一倍以上。與這一增長(zhǎng)趨勢(shì)相應(yīng)的是材料的開采正從歐洲和北美轉(zhuǎn)向亞洲。2017年，開采自亞洲的材料占60%，而預(yù)計(jì)在未來十年中，非洲的開采量也將大幅增加。就地開采并加工有助于提高發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)的生活水平，但同時(shí)也會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。在全球各地，幾乎每個(gè)領(lǐng)域的材料生產(chǎn)和消耗都與環(huán)境限制背道而馳，包括物種多樣性、土地利用變化、氣候影響和生物地球化學(xué)流。降低材料使用的影響不僅是當(dāng)務(wù)之急，而且復(fù)雜多變，因此有必要對(duì)意想不到的后果進(jìn)行積極的評(píng)估，并且要求采用適用于多學(xué)科體系的方法。

從開采到處置過程中的材料影響

材料開采的影響包括景觀退化、生境喪失、廢物產(chǎn)生、水質(zhì)下降和生態(tài)系統(tǒng)污染等，這些影響往往發(fā)生在生態(tài)敏感地區(qū)。此外，該階段的能源需求量相當(dāng)大。例如，金屬的初級(jí)生產(chǎn)占全球能源消耗總量的8%左右。由于礦石品質(zhì)等級(jí)下降，這種能源消耗預(yù)計(jì)將持續(xù)增加。

提煉和制造等過程的影響主要來自能源的使用。然而，工藝化學(xué)反應(yīng)的直接排放也同樣發(fā)揮著重要作用。例如，在水泥生產(chǎn)過程中，二氧化碳的直接排放是由石灰石煅燒成石灰造成的，其排放量占水泥生產(chǎn)相關(guān)排放的50%，其余則是因電力和燃料消耗而造成的。

在材料使用過程中，大部分影響來自為機(jī)器供電所需的燃料和電力。但金屬在使用過程中也可能發(fā)生腐蝕；同樣，制冷劑等化學(xué)污染物在產(chǎn)品使用過程中也會(huì)泄露。

處置的影響包括因填埋垃圾而占用土地、資源損失，而在涉及金屬的處置時(shí)，垃圾的填埋和焚燒可能產(chǎn)生有毒滲濾液和大氣排放物。對(duì)于聚合物來說，處置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致微粒長(zhǎng)期留存，繼而在食物供應(yīng)中持續(xù)存在并累積。就礦物而言，建筑廢物是一個(gè)日漸嚴(yán)重的環(huán)境問題。要想減輕這些足以改變游戲規(guī)則的影響，唯有在材料的整個(gè)生命周期中改變它們的技術(shù)或消耗模式。

打造可持續(xù)材料系統(tǒng)

材料本身并不是人類想要的：人們通常不會(huì)想去獲得一匝鋼圈或幾根碳納米管，甚至可能不想要汽車或電話等產(chǎn)品。人類希望得到的是材料和產(chǎn)品提供的服務(wù)。作為一個(gè)社群，我們發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施以滿足人類活動(dòng)的需要，如維持生計(jì)、獲得庇護(hù)、溝通和教育。全球材料年開采量的一半被用作庫存或用于更新使用中的存貨。一個(gè)可持續(xù)的材料系統(tǒng)可以創(chuàng)造并維持這些庫存，從而最大限度地減少材料和能源流。

然而，支持實(shí)物存量的材料流因區(qū)域而存在很大差異。每年北美人均耗材量為30噸，歐洲人均耗材量為21噸，所有其他地區(qū)的人均耗材量則低于10噸。這種差異需要我們降低材料消耗與經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高生活質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)性。要做到這一點(diǎn)，技術(shù)設(shè)計(jì)以及企業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)造價(jià)值的方式都必須實(shí)現(xiàn)深刻轉(zhuǎn)變。例如，轉(zhuǎn)變服務(wù)模式（其中出售的是產(chǎn)品的用途，而非產(chǎn)品本身）以更多地使用現(xiàn)有存貨。事實(shí)證明，要大規(guī)模地將產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為服務(wù)極具挑戰(zhàn)，其對(duì)環(huán)境的凈影響也未可知，在使用消耗品時(shí)可能需要權(quán)衡。

還有一些專注于材料的變革策略。如鋼鐵和混凝土生產(chǎn)規(guī)模巨大，這意味著任何提高材料的環(huán)境可持續(xù)性的策略都必須涉及這些行業(yè)的轉(zhuǎn)變。

鋼鐵生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變可能包括采用性價(jià)比高的電解方式，并利用基于可再生能源的電力將氧化鐵還原成金屬。得益于熔融電化學(xué)領(lǐng)域取得的進(jìn)展，鋼鐵已經(jīng)可以直接由氧化物原料進(jìn)行生產(chǎn)。這些方法還可用于生產(chǎn)銅等其他金屬。

要顯著改善混凝土對(duì)環(huán)境造成的影響，需要將大量的碳封存或開發(fā)出水泥黏結(jié)劑的替代品。在這種情況下，根據(jù)混凝土是否為鋼筋混凝土，可供替換的原材料數(shù)量是否能滿足需求，可行性策略將會(huì)有所不同。

材料的環(huán)境生命周期

聚合物沒有金屬那么重，但它們?cè)趶U物流中所占的體積分?jǐn)?shù)極大，并呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，而且可以長(zhǎng)期留存在周圍環(huán)境中。因此我們必須通過材料創(chuàng)新，開發(fā)出能夠有效分離、進(jìn)行化學(xué)回收和熱固性后處理且能夠提高生物可降解性的單體。

將材料影響降至最低的5種手段

即使出現(xiàn)易駕馭、有益于環(huán)境的革命性商業(yè)模式或技術(shù)，對(duì)它們進(jìn)行推廣也需時(shí)日。因此，必須立即采取行動(dòng)，找到更多的策略。我們?yōu)榭茖W(xué)家和工程師提供了5種手段以最大限度地減少影響：延長(zhǎng)使用壽命、非物質(zhì)化、提高生產(chǎn)效率、替代和回收（參見“材料的環(huán)境生命周期”圖）。

延長(zhǎng)使用壽命可以通過延長(zhǎng)使用壽命來降低需求，提高現(xiàn)有產(chǎn)品的耐久性、可持續(xù)性和利用率。微量污染物或缺陷會(huì)導(dǎo)致材料質(zhì)量下降，從而降低使用壽命和回收潛力。研究人員應(yīng)該在非理想化條件下測(cè)試新材料和新設(shè)備，并加快測(cè)試工作的速度。商業(yè)模式創(chuàng)新也應(yīng)當(dāng)發(fā)揮作用，以抵消計(jì)劃報(bào)廢帶來的后果。

非物質(zhì)化有效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有助于更好地利用特定材料實(shí)現(xiàn)某一特定功能。材料工程成功促成非物質(zhì)化的例子包括固態(tài)晶體管、較高傳輸能量線和合金設(shè)計(jì)。通過采用更高效的零部件設(shè)計(jì)，使用能夠減小每個(gè)零部件材料密度的高強(qiáng)鋼、鋁和復(fù)合材料等替代材料，車輛輕量化成為可能，這一策略還可節(jié)省燃料。強(qiáng)度和延展性通常相互矛盾，但合金使材料可以向更高強(qiáng)度和更高延展性的方向發(fā)展，還可以節(jié)約大量成本。

提高生產(chǎn)效率生產(chǎn)效率往往與成本降低相關(guān)。在鑄造、成形和裝配等生產(chǎn)工序中，分別有25%和40%的鋼和鋁作為廢料丟棄。即便是碳納米管等功能性特種材料，也存在巨大的制造損失，有很多種方法可以簡(jiǎn)化納米材料的合成工藝。

替代其中一種策略是使用對(duì)環(huán)境影響較小的材料的替代品（完全或部分取代）。長(zhǎng)期以來，科學(xué)界在開發(fā)材料替代品方面發(fā)揮著重要作用，但其目的通常是提高性能或減少使用有毒或難以采購(gòu)的材料，而不是減少環(huán)境影響。通過擴(kuò)充有關(guān)材料和能源投入的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，再加上行業(yè)手冊(cè)，一些前景看好的基本方法可用來預(yù)測(cè)新型材料的生命周期和進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

回收由于非初級(jí)材料在制造過程中所需能源通常較少，因此另一種策略是提高回收率。保持價(jià)值的能力以及由此帶來的影響因材料而異。長(zhǎng)期以來，由于產(chǎn)品復(fù)雜性不斷提高、生命周期縮短、制造商不予重視以及社會(huì)規(guī)范的限制，部件的重復(fù)使用率呈下降趨勢(shì)。另外，當(dāng)產(chǎn)品由單一材料制成并且具有價(jià)值時(shí)，從產(chǎn)品中回收材料較為容易；然而，今天使用的許多產(chǎn)品均由混合材料制成，低價(jià)值混合材料的回收成本變得昂貴，且需消耗大量能源。

現(xiàn)代移動(dòng)電話的電路板包含元素周期表中的60多種元素

當(dāng)前的材料系統(tǒng)效率低下。可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的目標(biāo)是從使用中的材料獲取更多的價(jià)值，同時(shí)盡量減少整個(gè)過程中的開采量和廢物流。干預(yù)措施必須結(jié)合具體情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，因?yàn)槟骋浑A段得到改進(jìn)可能會(huì)導(dǎo)致其他階段的負(fù)擔(dān)增加?？茖W(xué)界需要進(jìn)行權(quán)衡，以避免出現(xiàn)意外的后果——我們從某個(gè)方面改進(jìn)了材料系統(tǒng)或生命周期，卻會(huì)對(duì)其他方面造成損害。例如，雖然在非物質(zhì)化方面贏得了重大契機(jī)，但材料效率的提高通常伴隨著更高的要求或功能。例如，汽車的尺寸更大、配飾更多，足以抵消節(jié)省燃料帶來的優(yōu)勢(shì)。

向技術(shù)界收費(fèi)

上述策略并不新鮮，我們?cè)谡麄€(gè)生命周期和不同的材料中都可以找到成功的個(gè)案。當(dāng)下的可持續(xù)性挑戰(zhàn)在于科學(xué)家和工程師必須接受這種復(fù)雜性，預(yù)料到可能出現(xiàn)的權(quán)衡問題，量化多個(gè)性能目標(biāo)，并在最初的研究和開發(fā)中估計(jì)規(guī)?；挠绊憽?/p>

回收的技術(shù)無法與材料開發(fā)的復(fù)雜性及其規(guī)模的增長(zhǎng)速度保持同步。這種復(fù)雜性體現(xiàn)在移動(dòng)電話電路板中的元素?cái)?shù)量：20世紀(jì)80年代，這一數(shù)字為11；而現(xiàn)在元素已達(dá)60多種。在這些成分中，許多在使用壽命終結(jié)時(shí)就跟著消失殆盡，不僅包括材料，還包括在制造過程中賦予的附加值。為了克服這一問題，在合金設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮回收時(shí)的相容性，基于預(yù)測(cè)仿真的過程建?？梢詭椭O(shè)計(jì)出能夠盡可能將材料回收的提煉設(shè)施。

治理和參與已經(jīng)變得越來越重要，上面提到的大多數(shù)策略都需要支持技術(shù)過渡的政策。研究人員應(yīng)該采用多個(gè)績(jī)效目標(biāo)對(duì)他們的技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，然后以決策者認(rèn)可的方式傳播他們的研究成果。我們應(yīng)該告訴科學(xué)家和工程師如何進(jìn)行評(píng)估、如何與利益相關(guān)者接洽，并為環(huán)境分析和基礎(chǔ)研究提供激勵(lì)。預(yù)計(jì)在2050年前投入使用的城市基礎(chǔ)設(shè)施中，有超過60%的設(shè)施還未建成，而在未來數(shù)十年中，城市人口將翻一番，因此現(xiàn)在仍有機(jī)會(huì)塑造人類的未來。

資料來源 Science