在这个新材料与人工智能、量子科技深度交融的时代，我们正勾勒出一幅颠覆性的物质文明新画卷。曾几何时，可自我修复的建筑表皮、能感知环境的智能织物、耐极端环境的星际材料及循环再生的生物基制品，还只是科幻作品中的奇思妙想。如今，这些概念正从实验室的微光中破土而出，茁壮成长，逐渐成为重塑世界的核心力量。我们将以智能响应材料的敏锐感知为起点，沿着纳米复合材料的微观脉络、碳纤维的柔中带刚、超材料的物理重构，延伸至生物基材料的生态闭环，再进入极端环境材料的极限探索，层层展开，从原子尺度一直拓展到星际空间，领略这些材料从当下的萌芽生长为引领未来的无穷可能。

文|张立民 王国强

张立民，中国科协创新战略研究院博士后。

王国强，中国科协创新战略研究院研究员。

01.

智能响应材料：激活物质的感知与适应潜能

物质的本质，正在被智能响应材料重新定义。传统材料始终以被动的形态存在，而智能响应材料如同被赋予了生命感知力，能精准捕捉外界环境的细微变化，通过物理化学过程实现自组装、相变或形态变化。这一过程恰似自然界的含羞草，触碰之下便收拢叶片，智能材料则在温度波动、湿度变化、电场刺激或机械应力的作用下，展现出超乎想象的“应变能力”。从前，人类只能对材料进行静态加工，如今借助先进的分子设计与智能算法，我们不仅能精准调控材料的响应阈值，更能赋予其多维度的感知与自适应能力，从被动的加工对象转变为具备“决策智慧”的功能载体。

在生物医药领域，病理状态下人体环境可能会出现一些生理指标的微小变化，这些微小变化恰恰可以作为响应机理应用于病变的治疗过程，通过智能响应对病变进行自主干预与精准治疗，从而大幅提升治疗效果，减轻患者负担，避免并发症与后遗症的出现。在建筑行业，智能响应型建材正悄然改变城市风貌：外墙涂层能根据日照强度调节透光率，夏季反射强光降温，冬季吸收光能增温，让建筑成为“会呼吸的节能体”；桥梁伸缩缝材料可随温度变化自动调节弹性，有效缓解热胀冷缩带来的结构损耗。在交通领域，汽车防眩目后视镜夜间遇到强光，可自动变暗避免刺眼。在食品包装领域，智能包装可以在不破坏外包装的前提下，及时反映食品的新鲜度，帮助商家和消费者通过直观、科学的方式判断食品质量，减少食物浪费。

未来，更具想象力的应用正在酝酿：可监测人体健康数据的智能织物，能实时捕捉心率、血压等指标，发现异常时自动发出预警；植入人体的智能修复材料，可感知骨骼生长状态，动态调整支撑强度，助力骨骼愈合；在灾害救援场景中，能变形穿越狭窄空间的智能材料机器人，可深入废墟探测生命信号，成为救援一线的“得力搭档”。

智能织物

（图片来源：knowingfabric.com）

02.

纳米复合材料：构筑微观世界的性能革命

如果说智能响应材料赋予了物质“感知力”，那么纳米复合材料则通过微观结构的精准重构，实现了材料性能的“极限突破”。传统材料的性能提升往往受制于单一成分的固有属性，如同用单一积木搭建复杂建筑，难以兼顾强度高、韧性好、质量小等多重需求。纳米技术的崛起为我们提供了操控微观世界的“精密工具”，让研究者能够在原子、分子尺度上重组材料成分，将不同特性的纳米单元如搭积木般精准拼接，构建出兼具多重优异性能的复合材料。这种微观层面的重构并非简单的成分叠加，而是通过界面作用的精准调控，激发材料的协同效应，创造出传统材料无法企及的“超级性能”。

在电子领域，纳米复合材料已成为高端芯片的核心支撑：石墨烯与半导体材料复合而成的新型基底，既保留了石墨烯的超高导电性，又兼具半导体的可控性，2024年发表于《自然》杂志的文章中提到，石墨烯半导体晶体管能在太赫兹频率下工作，比当前芯片中使用的硅基晶体管运算速度还要快10倍。在环保领域，纳米复合吸附材料如同“微观净化器”，其庞大的比表面积与精准的吸附位点，能高效捕捉水中的重金属离子、有机污染物，甚至分解微塑料颗粒，为水资源净化提供全新方案。在交通出行方面，轻质纳米复合材料正推动交通工具的“瘦身革命”：汽车车身采用碳纳米管复合材料，强度堪比钢铁，质量却减小一半，大幅降低能耗与碳排放；航空发动机叶片采用纳米陶瓷基复合材料，耐高温性能显著提升，让发动机在更高温度下稳定运行，提升推力与效率。

未来，纳米复合材料的应用将向更精准、更智能的方向演进。在新能源领域，可实现高效光电转换的纳米复合薄膜，将让太阳能电池的转化效率突破现有瓶颈，配合柔性基底设计，有望实现“万物皆可发电”——屋顶、墙面、车窗都能成为发电单元，构建分布式能源网络。在工业制造中，兼具超高强度与自润滑性能的纳米复合材料将大幅提升机械部件的耐磨性，延长其使用寿命，降低工业损耗。在农业领域，纳米复合缓释肥料可精准控制养分释放速度，根据作物生长周期提供持续营养，减少肥料浪费与土壤污染。更具远见的构想是，通过纳米复合材料构建“微观传感器网络”，嵌入工业设备、桥梁建筑甚至生态环境中，实时监测结构损耗、环境变化，为智能运维与生态保护提供数据支撑。

多层纳米复合水凝胶颗粒（右上为冷冻电镜图像）

（图片来源：日本生理学研究所）

03.

碳纤维：柔中带刚的材料革命先锋

如果说传统金属材料是工业时代的“钢铁硬汉”，那么碳纤维则是新材料时代“刚柔并济的精英”。碳纤维以有机纤维为原料，经上千摄氏度高温碳化处理后，形成含碳量90%以上的无机高分子纤维，既保留了纤维的柔韧可加工性，又具备更高的强度和刚度，还拥有耐高低温、耐腐蚀、导电导热性可调的多重优势，彻底打破了传统材料的性能桎梏。

目前，碳纤维已成为高端制造领域的“性能核心”，在多个关键行业实现规模化应用。在载客飞机领域，空客A350客机的碳纤维复合材料用量占整机质量的52%，应用范围涵盖机身壁板、框架、窗框和舱门等重要部位；我国C919大飞机的机翼、尾翼等关键部件也采用了碳纤维增强复合材料，助力国产大飞机实现性能突破。在运载火箭领域，欧洲织女星运载火箭发动机壳体选用IM-7中模高强碳纤维复合材料，极大地减少了火箭发射的动能损失。在通信卫星领域，利用其耐高温和耐腐蚀特性，国际通信卫星V号采用了碳纤维-环氧复合材料的蜂窝结构面板，在一定程度上提升了卫星的使用性能。在国防装备领域，F-35战斗机首飞时间不断推迟，其中一个很重要的原因就是超重。为解决此问题，美国航空航天制造商洛克希德·马丁公司采取了很多办法都不尽如人意，最后将大面积机身替换为碳纤维复合材料才使机身质量符合要求。现代军事既是技术的比拼，也是材料性能的比拼，现代装备低能耗、隐身化、高机动性趋势凸显，对碳纤维复合材料性能要求越来越高，研发更高强度、更高性能的碳纤维复合材料是比拼军事实力的重要关注点之一。

未来，碳纤维的应用将向“生活化、低成本化、循环化”三大方向迈进。在医疗领域，碳纤维医疗器械（如手术器械、影像设备支架等）的轻量化设计能降低医护人员操作负担，提升手术精准度。在智能制造领域，碳纤维与智能响应材料、传感器的复合将催生“智能碳纤维结构”——嵌入桥梁、飞机机身的碳纤维智能结构，可实时监测应力变化、结构损耗，为设备运维提供精准数据支撑。随着回收技术的突破，碳纤维复合材料的化学回收、物理回收工艺将实现产业化，解决传统碳纤维“难回收、高污染”的痛点，实现“生产—使用—回收—再利用”的循环闭环，为实现碳中和目标提供材料支撑。

碳纤维

（图片来源：texco-materials.com）

04.

超材料：重构物理规律的人工奇迹

如果说传统材料是遵循自然规律的“天然造物”，那么超材料则是人类突破自然限制的“人工杰作”。超材料通过在微观尺度上精准设计周期性结构，能实现天然材料不具备的超常物理特性，就像给物质装上了“自定义物理规则”的芯片。天然材料的性能由其化学成分决定，如金属的导电性、玻璃的透光性等都是自然赋予的固有属性；而超材料的核心突破在于“结构决定功能”，通过纳米级的阵列排布、孔洞设计或异质拼接，让电磁波、声波、应力等在材料内部呈现奇异传播规律，实现负折射率、超常隐身、力学超构等“反常识”性能。

如今，超材料已从实验室走向实用化场景。在电磁领域，超材料吸波材料成为隐形装备的“核心护盾”，能高效吸收雷达波，让军事装备实现“视觉隐身”。早在2006年，美国杜克大学与英国帝国理工学院合作提出了一种微波频段的电磁隐身设计方案，实验结果证实负折射率材料用于物体的隐身是可行的。在光学领域，超材料透镜打破传统透镜的衍射极限，制成的超分辨显微镜能看清纳米级生物结构，为癌症早期诊断提供助力。2012年，加拿大超隐形生物公司发明了一种名为“量子隐身”的神奇材料，它能使周围光线发生折射弯曲，从而使其覆盖的物体或人完全隐身，不仅能“骗”过人的肉眼，在军用夜视镜、红外探测器的探测下也能成功隐身。在声学领域，超材料隔音板可实现“定向隔音”，既阻断噪声传播，又不影响正常声波传递，目前已应用于高铁车厢、机场航站楼等场景。2014年，杜克大学制造出世界上首个三维声学斗篷，它是一种利用声隐身超材料制成的声隐身装置，能使入射声波沿斗篷表面传播，不反射也不透射，实现对探测声波的隐身。在力学领域，超材料蜂窝结构能将材料密度降低至空气的1/10，却能承受自身重量数千倍的压力，成为航空航天领域的“减重神器”。

未来，超材料将向“多功能集成”与“动态可调”方向进化。在航天领域，可变形超材料将让卫星天线实现折叠收纳到在轨展开的智能切换，同时具备抗辐射、耐高温的复合性能。在医疗领域，超材料支架能精准调控药物释放路径，配合超声波响应特性，实现“靶向给药+实时监测”的一体化治疗。在通信领域，超材料基站天线可将信号聚焦于特定区域，大幅提升5G/6G网络的覆盖效率与抗干扰能力。更具颠覆性的构想是，通过超材料构建“物理场调控界面”，实现对光、声、电、磁的精准操控，如制造能弯曲光线的“隐身斗篷”、可吸收地震波的“抗震建筑外壳”，甚至是能优化能量传输的“高效能源通道”。

世界上首个三维声学斗篷

（图片来源：杜克大学）

05.

生物基材料：搭建生态循环的可持续桥梁

在全球碳中和的时代背景下，生物基材料正以“生态友好”的核心优势重塑人类与自然的物质交互关系。传统化石基材料的大量使用，不仅使人类面临资源枯竭的困境，更带来了严重的环境负担——塑料垃圾难以降解，累计形成的“白色污染”正侵蚀着土壤、海洋与生态系统。生物基材料以可再生的生物质资源为原料，通过生物合成、微生物发酵等绿色工艺制备而成。其最大的突破在于实现了“从自然中来，到自然中去”的循环闭环，使用后可在自然环境中被微生物降解，回归生态系统，从根本上解决传统材料的环保难题。

目前，生物基材料已在多个领域实现规模化应用。玉米、秸秆等农作物制成的生物塑料已广泛用于食品包装、一次性餐具等产品，降解周期仅为1~3年，而传统塑料则需要上百年。生物基纤维制成的服装面料兼具透气、舒适与环保属性，替代了部分化纤面料，减少了石油资源消耗与化工污染。在汽车领域，生物基聚酰胺用于动力电池壳体，减重达30%，成本降低20%。在农业领域，淀粉基材料在土壤中3个月内降解，让“白色污染”不再发生。在建筑与家具领域，生物基复合材料制成的板材以农业废弃物为原料，强度不逊于传统木材，且无须添加甲醛等有害物质，成为绿色家居的新选择。

展望未来，生物基材料作为绿色经济的重要载体，其潜力将进一步释放，在农业、航空、医疗等领域展现广阔前景。例如：可降解的生物基地膜能解决农田地膜残留问题，降解后转化为有机肥料，助力土壤改良；生物基航空燃料的研发将推动航空业实现“碳中和飞行”，减少碳排放；更具突破性的是，通过合成生物学技术改造的微生物，可直接将二氧化碳转化为生物基材料原料，实现“碳捕捉+资源转化”的双重价值，为应对气候变化提供全新路径。

生物基材料

（图片来源：constructionplacements.com）

06.

极端环境材料：开拓人类探索的边界

当人类的探索足迹延伸至深海、极地、太空等极端环境时，极端环境材料成为突破自然限制的“先锋力量”。这些环境往往伴随超高压力、极寒、高温、强辐射、腐蚀等严苛考验，传统材料在如此极端条件下极易失效，如同脆弱的纸张难以抵御狂风暴雨。极端环境材料通过特殊的成分设计、微观结构调控与制备工艺优化，具备了抵御极端条件的“超强韧性”，为人类探索未知疆域提供了关键支撑，让从前难以想象的探索任务成为可能。

在深海探索领域，耐高压复合材料制成的潜水器舱体能抵御万米深海的巨大压力，搭载科研人员深入马里亚纳海沟，探寻深海生物与地质奥秘。目前，我国3台大深度载人潜水器的载人球壳均以高强高韧钛合金为壳体材料。在太空探索中，新型陶瓷基复合材料与金属合金的组合为航天器提供了全方位的防护：外壳材料能抵御再入大气层时的数千摄氏度高温，内部绝缘材料可阻挡太空强辐射，保障航天器与航天员的安全，美国通用公司称“陶瓷基复合材料代替高温合金引发了发动机高温材料领域的一场革命”。在极地科考中，耐低温弹性材料制成的科考设备部件能在零下几十摄氏度的环境中保持正常运转，避免因材料脆化导致的故障。

展望未来，极端环境材料将助力人类探索更遥远的疆域。在火星基地建设中，由火星壤制成的高强度纤维与火星土壤基体相结合形成复合材料，利用3D打印等技术打造成各种建筑模块，最终用于建造一个适应人类生存的火星基地，使人类移居火星的梦想又近了一步。在深海资源开采中，耐高压、抗腐蚀的管道与设备材料将实现深海油气、矿产资源的安全开采。在核聚变发电领域，能承受上亿摄氏度高温与强磁场的超导复合材料是实现可控核聚变的核心关键，一旦突破，将为人类提供取之不尽的清洁能源。

深海载人潜水器

（图片来源：vecteezy.com）

07.

总结

擘画未来，新材料不再是孤立的技术革新，而是正在汇聚成跨领域的协同浪潮。从智能响应材料的感知自适应到纳米复合材料的性能突破，从碳纤维的轻量高强到超材料的跨界突破，从生物基材料的生态循环到极端环境材料的边界拓展，我们正构筑出一种超越传统物质形态的全新体系。在这一体系中，人类不仅拥有更强大的工具应对环境挑战、改善生活品质，更有机会重新定义物质与人类、自然的关系，实现从“征服自然”到“和谐共生”的理念转型。

这幅未来图景并非静止的蓝图，而是充满生机的动态演进。它的核心并非对材料的简单改良，而是对生产方式、生活理念与生态秩序的深层重塑。当材料具备了感知与智慧，当微观结构的调控实现性能革命，当可持续材料构建循环生态，当极端环境材料打破探索边界，人类将以更和谐的姿态与自然共处，以更广阔的视野开拓未来疆域。新材料是连接科技与生活的桥梁，是破解资源环境困境的钥匙，更是人类文明迈向更高维度的坚实基石。无尽的潜能正等待发掘，而新材料的持续革新终将引领人类走向一个更智能、更环保、更广阔的未来。