First part

? ? ? ? 《流浪地球2》中出現(xiàn)的太空電梯的場景，相信讓很多觀眾都印象深刻，作為電影中往返地球表面和領(lǐng)航員空間站的一種高效運(yùn)輸手段，太空電梯是否可以在未來取代運(yùn)載火箭，成為人類探索浩瀚宇宙的捷徑呢？

? ? ? ? 實(shí)際上，太空電梯這一概念早在一百多年前就由航天理論先驅(qū)齊奧爾科夫斯基等人所提出了，但是在當(dāng)時(shí)乃至后續(xù)美蘇太空競賽的時(shí)代都并未成為航天界的主流學(xué)說，只零星存在于一些科幻作品和游戲之中。

? ? ? ? 由于太空電梯必須與地球處于相對靜止，?這就要求它所連接的衛(wèi)星必須處于距離赤道地表三萬六千公里的的地球同步軌道上，并且通過線纜實(shí)現(xiàn)兩者的連接。在不考慮大氣環(huán)境和太空輻射等外部干擾的情況下，最最理想的條件也要求線纜的材料強(qiáng)度達(dá)到鈦合金的百倍，甚至是最先進(jìn)的防彈材料凱夫拉(Kevlar)的材料強(qiáng)度也不足最低要求的十分之一。

? ? ? ? 那么太空電梯真的受限于科技水平，只是水中月鏡中花嗎？隨著石墨烯的成功提取，在本世紀(jì)初在學(xué)術(shù)界所引發(fā)的碳單質(zhì)同素異形體的研究熱潮，誕生了一種能夠滿足太空電梯線纜材料需要的材料，碳納米管。

? ? ? ? 所謂碳納米管，是一種由蜂窩狀晶格所包圍形成的管狀構(gòu)造，這種各向同性的晶體結(jié)構(gòu)決定了它具有良好的力學(xué)特性，并且可以通過加入不同的配位元素或者制備多層碳納米管來對其力學(xué)特性進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

理論上，碳納米管的強(qiáng)度可以達(dá)到凱夫拉纖維的數(shù)十倍以上，完全可以滿足太空電梯的需求。而碳納米管的背后的理論支撐，凝聚態(tài)物理，更是掀起了第三次工業(yè)革命的浪潮。

Second part

? ? ? ? 自古以來，人類文明進(jìn)步的一大重要特點(diǎn)就是材料的進(jìn)步，從石器時(shí)代，到青銅器時(shí)代，再伴隨著冶金工業(yè)的進(jìn)步，鋼鐵成為了生產(chǎn)力飛升的一大標(biāo)志。直到近代，隨著人類對物理，化學(xué)等領(lǐng)域認(rèn)知的進(jìn)步，通過向金屬中添加其他元素，由原子大小的差異和電子軌道的重新結(jié)合，產(chǎn)生晶格內(nèi)應(yīng)力，從而達(dá)到改善合金性能的目的。也是由此，鋁鎂合金，鈦合金等一系列出現(xiàn)在航空航天，醫(yī)療，工業(yè)生產(chǎn)等幾乎全部人類文明中的現(xiàn)代合金，正式叩開了人類文明新紀(jì)元的大門。

? ? ? ? 二十世紀(jì)中期，由普朗克，薛定諤，玻爾，泡利等學(xué)者所奠基的量子力學(xué)，誕出了若干寶貴的果實(shí)，其中之一便是驅(qū)動了第三次工業(yè)革命的半導(dǎo)體技術(shù)。

? ? ? ? 不同于金屬等傳統(tǒng)導(dǎo)體，半導(dǎo)體由于其特殊的能帶結(jié)構(gòu)，配合特殊設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生諸如單向?qū)щ?，電子激發(fā)，發(fā)光，導(dǎo)熱等等一般材料不具備的特殊性能。通過對不同材料不同結(jié)構(gòu)下晶格的波函數(shù)的計(jì)算，科研人員能夠?qū)τ谳d流子(Carrier)與空穴(Hole)進(jìn)行調(diào)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導(dǎo)體。

? ? ? ? 此外，伴隨著光電效應(yīng)等知識的應(yīng)用，半導(dǎo)體的應(yīng)用也不僅僅局限于集成電路等，更有高精度的光電探測器，發(fā)光二極管等重要應(yīng)用。智能手機(jī)的屏幕，相機(jī)感光元件，處理器等等元件都是半導(dǎo)體工業(yè)這顆參天大樹上的粒粒碩果。

? ? ? ?可以說若沒有量子力學(xué)，沒有半導(dǎo)體物理，便沒有如今觸手可得的信息時(shí)代。

Third part

? ? ? ? 從青銅，鋼鐵，到鈦合金鋁合金，再到現(xiàn)如今豐富的半導(dǎo)體，材料的進(jìn)步伴隨著人類文明的進(jìn)步，也揭露了文明背后科技水平的進(jìn)步。

? ? ? ? 隨著全球?qū)W者對于理論的不斷實(shí)踐，更多的夢幻材料正在逐步由理論預(yù)測變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。上世紀(jì)50年代末誕生的BCS理論，證實(shí)了超導(dǎo)現(xiàn)象的存在，而七十年后的今天，在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中，科學(xué)家們已經(jīng)制備出了可以在288K(270GPa)下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的高溫超導(dǎo)體。

? ? ? ? 越來越多的理論預(yù)測正在逐步成為現(xiàn)實(shí)，它們在不遠(yuǎn)的將來就會成為性能更好的探測器，功耗更低性能更高的芯片，以及更廉價(jià)更可靠的通訊載體。

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