材料科学长期以来一直是材料进步乃至所有进步的根源，以至于我们可能会认为其最伟大的贡献已经过去。石器时代、青铜时代、铁器时代：它们都以我们制造和操控日常物品方式的巨大改进而定义，从用于制作更锋利斧头的打制燧石到用于制造更轻飞机的铝合金。但现在，在硅时代，进步难道仅仅是关于操控零和一吗？
答案是响亮的否。如今，材料比以往任何时候都更加重要，这就是《大众科学》杂志本期杂志很大一部分致力于介绍它们的原因。在全球各地的实验室里，科学家们正努力工作，为明天的产品奠定基础：超光滑涂层，可以抵御从冰（在那些轻质飞机翼上）到金黄色葡萄球菌（在充斥细菌的医院里）的一切；能够随温度或 pH 值改变其特性的自调节材料；以及收集浪费能量的压电薄膜，同时其他智能材料则更有效地利用这些能量。随着工程师们在测试实验室中验证这些材料并将其融入利用新功能的设计中，一切都将得到改善，从准备进行行星际探索的宇航服到核反应堆。
事实上，摩尔定律，即硅时代的核心原则，描述的不是数据科学，而是材料科学的原则——每 18 个月，我们将找到一种在有限芯片上塞入两倍数量组件的方法。因此，更好的材料正在制造出更好的计算机，而这些计算机又帮助我们设计出更好的材料。在材料科学进步数百万年后，我们才刚刚起步。
—编辑部
蜘蛛丝植入物
人体组织很容易撕裂；蜘蛛丝比钢铁还坚韧。因此，在犹他州立大学，研究人员正在将蜘蛛丝纺成用于修复受损肩部和膝盖的材料。他们培育了转基因山羊，使其生产大量蜘蛛丝蛋白，然后将这些蛋白质纺成丝线，并将丝线编织成纤维。这些细丝保留了蜘蛛丝的弹性，但比人体韧带强 100 倍，比肌腱强 20 倍。麻省理工学院的 Markus Buehler 表示，蜘蛛丝还可以使骨移植手术的骨骼不易碎裂，他将蜘蛛丝蛋白与胶原蛋白结合。两个团队估计，蜘蛛丝植入物可能在 2030 年前获准用于人类。
—Sarah Fecht
电子皮肤
皮肤不仅保护身体，还传递感觉。通过使电子产品变得柔软如皮肤，工程师们找到了一种方法，可以使覆盖移植物和假肢的人造皮肤也能感知事物。伊利诺伊大学的研究人员创造了足够薄且足够柔韧的电路，可以覆盖指尖，它们能将压力转化为电信号。斯坦福大学开发的一种能够储存电力的凝胶，可以成为一种可塑电池。卡内基梅隆大学的 Carmel Majidi 正在尝试将橡胶制成压力和摩擦传感器。他将小通道的液态金属嵌入其中，这些液态金属会随着液体的移动改变导电性。电子皮肤对非人类也可能有用。Majidi 说：“这种工程方法有可能使机器人和机器更加逼真。”
—Lauren Aaronson
更安全的核反应堆
全国 104 座核电站的许多部件，包括容纳铀的压力容器，都严重依赖钢材。但最终，持续不断的辐射轰击会使钢材降解，使其容易断裂。加州理工学院和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员开发了纳米层状复合材料，这些材料可以更好地使未来反应堆免受灾害影响。复合材料金属层之间的界面吸收了辐射引起的缺陷，这些缺陷会导致辐照材料变脆。加州理工学院工程师 Julia Greer 表示，短期内，这些层状材料可以集成到钢材中，以替代现有工厂中老化的部件。航天器材料也可以涂覆纳米层状材料，以保护它们免受深空的宇宙辐射。
—L.A.
电动跑鞋
一百多年来，工程师们一直在利用压电设备将机械应力转化为电能，但通过在路面上奔跑为 iPod 供电的目标仍然难以实现。目前的压电材料难以制造，并且通常含有有毒金属，如镍和铅。劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员通过使用一种可自组装成薄膜的基因工程病毒解决了这两个问题。当施加压力时，病毒外壳上的螺旋形蛋白质会扭曲和转动，产生电荷。轻敲一块邮票大小的薄膜可以产生 400 毫伏的电力，足以短暂驱动 LCD 屏幕。生物工程师 Seung-Wuk Lee 表示，在 5 到 10 年内，这种薄膜还可以用于收集建筑物振动、心跳和其他类型的运动产生的能量。
—S.F.
热寻太阳能电池板
就像向日葵会朝着阳光弯曲一样，太阳能电池板可以通过旋转来提高能量输出，以适应太阳的移动。但旋转也需要能量。威斯康星大学麦迪逊分校的工程师 Hongrui Jiang 说：“能够响应阳光并同时具有机械响应的材料并不多。” Jiang 开发了一种能够被动地改变太阳能阵列基座的材料。他将吸收阳光的碳纳米管与
一种遇热就会收缩的液晶弹性体 (LCE) 结合起来。当太阳能加热基座的一侧时，LCE 收缩，导致太阳能电池板向太阳倾斜；一旦那一侧进入阴影，LCE 冷却并恢复到其原始高度。现场测试表明，该系统平均可提高太阳能电池板的效率 10%。
—S.F.
无菌医院
在美国医院感染的细菌每年导致约 10 万名患者死亡；医护人员必须不断对表面进行消毒以阻止其传播。哈佛大学实验室率先开发的一种材料可以从根本上防止微生物在导管等医疗设备上生长——它如此光滑，甚至细菌都无法附着。它基于 SLIPS（防滑液体浸渍多孔表面）技术，利用了导致昆虫滑入捕蝇草的相同机制。纳米孔隙将一个固体基底（如特氟龙或金属）纹理化，将超光滑润滑剂吸附到基底上；其他一切，包括细菌，都会从液体涂层上滑落。哈佛大学材料科学家 Tak-Sing Wong 表示，SLIPS 对灰尘、冰和涂鸦也有同样的效果，因此可能对更多行业有用。
—Laura Geggel
蝙蝠翼飞机
今天的飞机在灵活性和精度方面远远不如大自然中最出色的飞行者。“蝙蝠
与大多数动物——以及大多数工程材料——不同，因为它们拥有非常灵活的翅膀，提供了许多有趣的空气动力学特性，”布朗大学机械工程师 Kenny Breuer 说。雪城大学的 Patrick T. Mather 和他的团队创造了一种具有类似特性的材料：聚合物链排列起来，使其在一个方向上刚性且稳定，但在另一个方向上具有 12 倍的弹性。从现在开始的五到十年内，这种材料可能会使小型无人机的机翼能够通过膨胀和收缩来扇动，这将使飞机能够在低速飞行，并在监视任务中精确地进行转向。
—L.A.
智能服装
通过穿戴不同的服装，人们可以为阳光、雨水和寒冷做好准备——但以前从未有过衬衫或裤子能够智能地适应环境。匹兹堡大学的工程师 Anna Balazs 表示，在二十年内，“你的衣服可以为你思考。”在匹兹堡大学和哈佛大学开发的一种材料可以调节温度，使其保持在一定范围内。其层内的化学和机械反馈回路会在预设的度数下开启和关闭产热反应。同样的策略也可以用于制造能够响应其他刺激（如 pH 值、光或葡萄糖）而自调节的材料——这意味着水管、窗户和医疗设备也可以同样智能。
—S.F.
自修复电脑
集成电路可能带来了数字时代，但它们仍然受到一个重大限制：物理损坏。伊利诺伊大学开发的一种新涂层能够在不到一毫秒的时间内让损坏的电路恢复生机，即使你“用美工刀将其切断，”工程师 Nancy Sottos 说。她的团队用微小的液态金属胶囊涂覆金线。当导线断裂时，胶囊破裂，液态金属填充裂缝，恢复导电性。Sottos 表示，在 5 到 10 年内，类似的自修复涂层就可以覆盖连接电路板组件的电线，使几乎任何计算机或小工具都能够自我修复。
—L.A.
坚不可摧的装甲
麦吉尔大学工程师 Francois Barthelat 说：“在材料科学的许多领域，我们已经达到了工程技术的极限。”“我认为大自然有很多新技巧可以教给我们。”许多海洋动物的保护性装甲比构成它们的材料坚韧 3000 倍。通过模仿鱼鳞的结构，Barthelat 同样放大了复合材料的韧性。维拉诺瓦大学的工程师将陶瓷晶体堆叠在较软的化合物中，其角度与海螺壳中的角度相似。因为裂纹会之字形延伸并逐渐消失，而不是导致材料破碎，所以它的强度是基础陶瓷的 10 倍。这些进步可能在三到五年内用于加固装甲。
—L.A.
