感受材料的力量

First part

        《流浪地球2》中出现的太空电梯的场景，相信让很多观众都印象深刻，作为电影中往返地球表面和领航员空间站的一种高效运输手段，太空电梯是否可以在未来取代运载火箭，成为人类探索浩瀚宇宙的捷径呢？

        实际上，太空电梯这一概念早在一百多年前就由航天理论先驱齐奥尔科夫斯基等人所提出了，但是在当时乃至后续美苏太空竞赛的时代都并未成为航天界的主流学说，只零星存在于一些科幻作品和游戏之中。

        由于太空电梯必须与地球处于相对静止， 这就要求它所连接的卫星必须处于距离赤道地表三万六千公里的的地球同步轨道上，并且通过线缆实现两者的连接。在不考虑大气环境和太空辐射等外部干扰的情况下，最最理想的条件也要求线缆的材料强度达到钛合金的百倍，甚至是最先进的防弹材料凯夫拉(Kevlar)的材料强度也不足最低要求的十分之一。

        那么太空电梯真的受限于科技水平，只是水中月镜中花吗？随着石墨烯的成功提取，在本世纪初在学术界所引发的碳单质同素异形体的研究热潮，诞生了一种能够满足太空电梯线缆材料需要的材料，碳纳米管。

        所谓碳纳米管，是一种由蜂窝状晶格所包围形成的管状构造，这种各向同性的晶体结构决定了它具有良好的力学特性，并且可以通过加入不同的配位元素或者制备多层碳纳米管来对其力学特性进行补强。

理论上，碳纳米管的强度可以达到凯夫拉纤维的数十倍以上，完全可以满足太空电梯的需求。而碳纳米管的背后的理论支撑，凝聚态物理，更是掀起了第三次工业革命的浪潮。

Second part

        自古以来，人类文明进步的一大重要特点就是材料的进步，从石器时代，到青铜器时代，再伴随着冶金工业的进步，钢铁成为了生产力飞升的一大标志。直到近代，随着人类对物理，化学等领域认知的进步，通过向金属中添加其他元素，由原子大小的差异和电子轨道的重新结合，产生晶格内应力，从而达到改善合金性能的目的。也是由此，铝镁合金，钛合金等一系列出现在航空航天，医疗，工业生产等几乎全部人类文明中的现代合金，正式叩开了人类文明新纪元的大门。

        二十世纪中期，由普朗克，薛定谔，玻尔，泡利等学者所奠基的量子力学，诞出了若干宝贵的果实，其中之一便是驱动了第三次工业革命的半导体技术。

        不同于金属等传统导体，半导体由于其特殊的能带结构，配合特殊设计的器件结构，可以产生诸如单向导电，电子激发，发光，导热等等一般材料不具备的特殊性能。通过对不同材料不同结构下晶格的波函数的计算，科研人员能够对于载流子(Carrier)与空穴(Hole)进行调制，因而得以制造出一代又一代提升性能降低功耗的新型半导体。

        此外，伴随着光电效应等知识的应用，半导体的应用也不仅仅局限于集成电路等，更有高精度的光电探测器，发光二极管等重要应用。智能手机的屏幕，相机感光元件，处理器等等元件都是半导体工业这颗参天大树上的粒粒硕果。

       可以说若没有量子力学，没有半导体物理，便没有如今触手可得的信息时代。

Third part

        从青铜，钢铁，到钛合金铝合金，再到现如今丰富的半导体，材料的进步伴随着人类文明的进步，也揭露了文明背后科技水平的进步。

        随着全球学者对于理论的不断实践，更多的梦幻材料正在逐步由理论预测变为现实。上世纪50年代末诞生的BCS理论，证实了超导现象的存在，而七十年后的今天，在实验室的环境中，科学家们已经制备出了可以在288K(270GPa)下实现超导现象的高温超导体。

        越来越多的理论预测正在逐步成为现实，它们在不远的将来就会成为性能更好的探测器，功耗更低性能更高的芯片，以及更廉价更可靠的通讯载体。

/END/