預(yù)計在最近幾年內(nèi)，人類將在能源，尤其是可再生能源方面,，取得重大突破。人們將會利用更安全的核電站,，更高效的太陽能電池；風(fēng)能,、太陽能,、海洋能在我們的生活中將得到更廣泛的應(yīng)用。但是,，這些目標(biāo)的實現(xiàn)都離不開科學(xué),，尤其是新材料方面的重大突破。
偉大設(shè)計——
納米復(fù)合材料模型使核電站更安全
科學(xué)家們關(guān)于新材料的設(shè)想越來越明晰了,。他們以納米為單位來設(shè)計新材料（1納米等于十億分之一米）,。在這樣小的尺寸上， 新材料可以擁有自己特性,， 這些屬性可以提供理想的功能,，特別是把新材料制成復(fù)合材料時，它們的功能就更加強(qiáng)大了,。最近一系列研究表明,，納米材料在能源領(lǐng)域擁有廣闊潛力。
研究人員已經(jīng)很好地掌握了新納米材料工程的工作機(jī)理,。麻省理工的邁克爾·蒂米科維茨博士成功地研發(fā)出復(fù)合材料納米化的設(shè)計模型,。通過該模型，人們有望獲得納米復(fù)合材料具有其組成物質(zhì)所沒有的,、全新的材料特性,。
蒂米科維茨博士正在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室同一個研究小組進(jìn)行相關(guān)實驗。為了加速美國在能源科技領(lǐng)域的研究,，美國政府資助了一項歷時5年、耗資7.77億美元的項目,。 項目由美國多個科研小組共同完成,，洛斯阿拉莫斯國家實驗室就是其中的一個小組。 材料學(xué)博士蒂米科維茨正在尋找抗輻射能力強(qiáng)的物質(zhì)。這種物質(zhì)可以代替不銹鋼給核反應(yīng)堆做內(nèi)壁來延長核反應(yīng)堆的使用壽命,，并將使核燃料得到更高效的利用來提高反應(yīng)堆的效率,。蒂米科維茨博士說：“目前，反應(yīng)堆只利用了大約1%左右的燃料,。所以即使燃料利用率僅略有增加,，放射性廢物也會大幅減少。
核反應(yīng)堆的內(nèi)壁之所以會劣化,，是因為當(dāng)用做內(nèi)壁的金屬暴露于射線時,，金屬就會變脆變?nèi)酢＿@個弱點是因為金屬的晶體結(jié)構(gòu),，而這種結(jié)構(gòu)又是由高能粒子造成的,，如中子撞擊到單個原子，并把原子撞離原來位置,。這些原子和其他原子發(fā)生碰撞,，造成的損害蔓延開來。其結(jié)果就造成孔洞,、裂縫等,。
蒂米科維茨博士說確保納米復(fù)合材料具有抗輻射能力的關(guān)鍵在于組成復(fù)合材料的不同物質(zhì)層與層之間的界面。當(dāng)不同的物質(zhì)層越來越薄時,，不同物質(zhì)間的界面就決定了復(fù)合材料的特性,。不同物質(zhì)的界面使得復(fù)合材料表現(xiàn)出了原組成物質(zhì)所不具備的新奇特性。
理想的納米復(fù)合材料不僅能抗輻射損傷,，它自己也不會通過吸收中子成為放射性物質(zhì),。蒂米科維茨博士利用他的模型技術(shù)來選擇可能的材料。鐵基的裂變反應(yīng)堆和將被應(yīng)用到核聚變上的鎢基的核反應(yīng)堆都是他考慮的材料,。這些材料被批準(zhǔn)使用在核反應(yīng)堆上還要假以時日,，但是納米復(fù)合材料設(shè)計模型本身就是技術(shù)上的重大突破了。
穿越光譜——
納米技術(shù)使太陽能電池效率更高
在提高太陽能電池效率方面,，納米技術(shù)也將發(fā)揮更加重要的作用,。英國倫敦帝國學(xué)院的研究人員在一個叫做“太陽能量子”的展覽上披露了最新成果，納米復(fù)合材料用來制作“多重接面”太陽能電池,。該電池的每一層能夠捕獲太陽能光譜中特定的顏色,。總的來說,，這就比僅僅轉(zhuǎn)換部分光譜的傳統(tǒng)太陽能電池有效多了,。
“傳統(tǒng)太陽能電池只能把20%左右的太陽能轉(zhuǎn)換成電能，‘多重接面’太陽能電池的轉(zhuǎn)換率了已經(jīng)超過40%,，而且根據(jù)帝國學(xué)院的研究員艾金斯·達(dá)克思預(yù)測,，多重接面太陽能電池有望在十年內(nèi)把轉(zhuǎn)換率提高到50%,。多節(jié)太陽能電池在應(yīng)用納米技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)之前成本仍然會很高。研究人員預(yù)計,，如果通過反射鏡把太陽聚集在太陽能電池上,，太陽能發(fā)電的成本仍會降低。
透過玻璃——
納米復(fù)合透明材料
太陽能電池也可應(yīng)用到建筑物,，如在窗戶上,。德國弗勞恩霍夫研究所機(jī)械材料研究員正在尋找合適的透明材料。這些材料也將利用計算機(jī)模型來探索原子結(jié)構(gòu)并來模擬電子運(yùn)行模式,。來自德國研究所的沃爾夫?qū)た录{說,，傳導(dǎo)材料和透明材料的良好結(jié)合可能會產(chǎn)生完全透視電子。
復(fù)合材料的納米結(jié)構(gòu)也能使較輕的材料擁有很大的機(jī)械強(qiáng)度,。復(fù)合材料,，例如以光纖玻璃和碳纖維合成的塑料樹脂，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)制造業(yè),，用來生產(chǎn)汽車和飛機(jī)等,。但是，通過控制纖維生產(chǎn)過程中的方向,，可以產(chǎn)生變形復(fù)合材料,，這種材料在一定條件下能夠改變自身形狀。這種變化可以來自外部控制,，也可以是自發(fā)產(chǎn)生的,，例如，對溫度,、壓力,、和速度引發(fā)的變化。
在英國的布里斯托爾大學(xué)先進(jìn)復(fù)合材料創(chuàng)新和研究中心進(jìn)行的研討會透露,，這種變形復(fù)合材料可以用于生產(chǎn)能效更高的風(fēng)電和潮汐發(fā)電的渦輪葉片,。一種雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料能夠快速改變其空氣動力狀況，這也將有助于消除刀片上不需要的壓力,。這將提高其效率,，延長葉片的使用壽命，并且改善發(fā)電系統(tǒng),。變形復(fù)合材料意味著潮汐發(fā)電機(jī)可以制得更小,，在商業(yè)上更具競爭力。依這種方式,，材料科學(xué)上的些許變化將為可再生能源創(chuàng)造遠(yuǎn)大前程,。
偉大設(shè)計——
納米復(fù)合材料模型使核電站更安全
科學(xué)家們關(guān)于新材料的設(shè)想越來越明晰了,。他們以納米為單位來設(shè)計新材料（1納米等于十億分之一米）,。在這樣小的尺寸上， 新材料可以擁有自己特性,， 這些屬性可以提供理想的功能,，特別是把新材料制成復(fù)合材料時，它們的功能就更加強(qiáng)大了,。最近一系列研究表明,，納米材料在能源領(lǐng)域擁有廣闊潛力。
研究人員已經(jīng)很好地掌握了新納米材料工程的工作機(jī)理,。麻省理工的邁克爾·蒂米科維茨博士成功地研發(fā)出復(fù)合材料納米化的設(shè)計模型,。通過該模型，人們有望獲得納米復(fù)合材料具有其組成物質(zhì)所沒有的,、全新的材料特性,。
蒂米科維茨博士正在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室同一個研究小組進(jìn)行相關(guān)實驗。為了加速美國在能源科技領(lǐng)域的研究,，美國政府資助了一項歷時5年、耗資7.77億美元的項目,。 項目由美國多個科研小組共同完成,，洛斯阿拉莫斯國家實驗室就是其中的一個小組。 材料學(xué)博士蒂米科維茨正在尋找抗輻射能力強(qiáng)的物質(zhì)。這種物質(zhì)可以代替不銹鋼給核反應(yīng)堆做內(nèi)壁來延長核反應(yīng)堆的使用壽命,，并將使核燃料得到更高效的利用來提高反應(yīng)堆的效率,。蒂米科維茨博士說：“目前，反應(yīng)堆只利用了大約1%左右的燃料,。所以即使燃料利用率僅略有增加,，放射性廢物也會大幅減少。
核反應(yīng)堆的內(nèi)壁之所以會劣化,，是因為當(dāng)用做內(nèi)壁的金屬暴露于射線時,，金屬就會變脆變?nèi)酢＿@個弱點是因為金屬的晶體結(jié)構(gòu),，而這種結(jié)構(gòu)又是由高能粒子造成的,，如中子撞擊到單個原子，并把原子撞離原來位置,。這些原子和其他原子發(fā)生碰撞,，造成的損害蔓延開來。其結(jié)果就造成孔洞,、裂縫等,。
蒂米科維茨博士說確保納米復(fù)合材料具有抗輻射能力的關(guān)鍵在于組成復(fù)合材料的不同物質(zhì)層與層之間的界面。當(dāng)不同的物質(zhì)層越來越薄時,，不同物質(zhì)間的界面就決定了復(fù)合材料的特性,。不同物質(zhì)的界面使得復(fù)合材料表現(xiàn)出了原組成物質(zhì)所不具備的新奇特性。
理想的納米復(fù)合材料不僅能抗輻射損傷,，它自己也不會通過吸收中子成為放射性物質(zhì),。蒂米科維茨博士利用他的模型技術(shù)來選擇可能的材料。鐵基的裂變反應(yīng)堆和將被應(yīng)用到核聚變上的鎢基的核反應(yīng)堆都是他考慮的材料,。這些材料被批準(zhǔn)使用在核反應(yīng)堆上還要假以時日,，但是納米復(fù)合材料設(shè)計模型本身就是技術(shù)上的重大突破了。
穿越光譜——
納米技術(shù)使太陽能電池效率更高
在提高太陽能電池效率方面,，納米技術(shù)也將發(fā)揮更加重要的作用,。英國倫敦帝國學(xué)院的研究人員在一個叫做“太陽能量子”的展覽上披露了最新成果，納米復(fù)合材料用來制作“多重接面”太陽能電池,。該電池的每一層能夠捕獲太陽能光譜中特定的顏色,。總的來說,，這就比僅僅轉(zhuǎn)換部分光譜的傳統(tǒng)太陽能電池有效多了,。
“傳統(tǒng)太陽能電池只能把20%左右的太陽能轉(zhuǎn)換成電能，‘多重接面’太陽能電池的轉(zhuǎn)換率了已經(jīng)超過40%,，而且根據(jù)帝國學(xué)院的研究員艾金斯·達(dá)克思預(yù)測,，多重接面太陽能電池有望在十年內(nèi)把轉(zhuǎn)換率提高到50%,。多節(jié)太陽能電池在應(yīng)用納米技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)之前成本仍然會很高。研究人員預(yù)計,，如果通過反射鏡把太陽聚集在太陽能電池上,，太陽能發(fā)電的成本仍會降低。
透過玻璃——
納米復(fù)合透明材料
太陽能電池也可應(yīng)用到建筑物,，如在窗戶上,。德國弗勞恩霍夫研究所機(jī)械材料研究員正在尋找合適的透明材料。這些材料也將利用計算機(jī)模型來探索原子結(jié)構(gòu)并來模擬電子運(yùn)行模式,。來自德國研究所的沃爾夫?qū)た录{說,，傳導(dǎo)材料和透明材料的良好結(jié)合可能會產(chǎn)生完全透視電子。
復(fù)合材料的納米結(jié)構(gòu)也能使較輕的材料擁有很大的機(jī)械強(qiáng)度,。復(fù)合材料,，例如以光纖玻璃和碳纖維合成的塑料樹脂，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)制造業(yè),，用來生產(chǎn)汽車和飛機(jī)等,。但是，通過控制纖維生產(chǎn)過程中的方向,，可以產(chǎn)生變形復(fù)合材料,，這種材料在一定條件下能夠改變自身形狀。這種變化可以來自外部控制,，也可以是自發(fā)產(chǎn)生的,，例如，對溫度,、壓力,、和速度引發(fā)的變化。
在英國的布里斯托爾大學(xué)先進(jìn)復(fù)合材料創(chuàng)新和研究中心進(jìn)行的研討會透露,，這種變形復(fù)合材料可以用于生產(chǎn)能效更高的風(fēng)電和潮汐發(fā)電的渦輪葉片,。一種雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料能夠快速改變其空氣動力狀況，這也將有助于消除刀片上不需要的壓力,。這將提高其效率,，延長葉片的使用壽命，并且改善發(fā)電系統(tǒng),。變形復(fù)合材料意味著潮汐發(fā)電機(jī)可以制得更小,，在商業(yè)上更具競爭力。依這種方式,，材料科學(xué)上的些許變化將為可再生能源創(chuàng)造遠(yuǎn)大前程,。
