这篇博文讨论了新型材料工程,即开发具有多种用途的材料。


"嗖!!!" 在我们的美好记忆中,小时候遇到电闪雷鸣都会吓得躲进被子里,或者为之兴奋不已。但是,你是否对闪电和轰隆隆的雷声感到过好奇?此外,你想过闪电产生的电能吗?如果我们有技术能够在数亿伏的瞬间电压下储存 20000 安培电流的电能,我们就能解决最近的电力短缺问题。

能够储存这种能量的材料被称为新材料。新材料在字典中的定义是:可以与原材料结合,创造出前所未有的新性能和新用途的材料。我们要讨论的材料工程,就是开发能够捕捉闪电能量的新材料以及其他多种用途材料的过程。

从 1745 年的莱顿瓶开始,能够储存电能的技术自古以来就是研究的主题。在早期的研究中,人们在一个玻璃瓶中装满水并塞上软木塞,然后将一根电线或钉子穿过软木塞,使其接触到瓶中的水。为了给罐子充电,将电线外露的一端触碰三相发电机,这是一种产生静电的机器。然而,当接触断开后将电线握在手中时,就会感觉到电击,这证明电是储存起来的。这些装置得到了进一步发展,最终导致了电容器的诞生。

电容器由莱顿瓶演变而来,是一种在电路中收集电荷的装置。您可能想知道这与材料有什么关系。闪电会在短时间内产生大量的电压和电流。为了储存这种细胞能量,我们需要一种能够在短时间内容纳大量能量的电容器。为这些电容器开发材料被称为材料科学。

但是,如果你不知道闪电是如何获得如此多能量的,那么储存能量的想法可能就没有意义了。因此,让我们先从闪电的产生开始解释闪电的电能。雷击过程可分为两个主要步骤。第一是云中水和冰的静电吸引,第二是水和地面的静电吸引。

在暴风云中,风会使水滴和微小的冰晶相互摩擦。这种摩擦会使云中的微粒带电。冰会向水失去电子,这意味着电子相对缺乏的冰具有(+)极化,而电子相对丰富的水滴则具有(-)极化。

在开始下雨之前,云层中较重的水滴会使云层底部因电子丰富而带负电,而云层顶部则因电子缺乏而带正电。当云层底部聚集了足够多的水负电荷时,闪电就会在云层底部出现一个明亮的光球。这实际上是云中带负电荷的电子的聚集。现在,当这些电子落到地面时,闪电就会发生。但为什么云中的电子会落到地面上呢?

如果你思考一下影响地面电荷形成的因素,就会发现云中电荷的位置影响最大。云层底部的强负电荷会影响地面的电荷,以吸引力将带负电荷的地面电子推离云层。相反,地面则带正电。

经过这一过程后,地面上带正电荷的原子和云层底部带负电荷的原子之间的电吸引力导致电子流从云层向地面流下,电流开始在它们之间流动。当电子以我们所说的闪电条纹的形式划过天空时,它们在下落的途中会与空气中的原子发生碰撞。一路上,与闪电碰撞的空气中的原子会发出光和热,从而使闪电变得更亮。换句话说,闪电的光亮是电子在落到地面的途中与空气碰撞的结果。

换句话说,闪电是云中无数水滴通电后落到地面的过程。此时产生的电压和电流可达数亿伏特和 2 万安培。我们需要新材料来储存这些电能。蓄电池中使用的金属板材料就是材料科学与工程系正在研究的一个领域。

根据目前已开展的研究,日本在电池方面的工作尤为突出。然而,雷击并不频繁,而且雷击地点也不一致,这给研究工作带来了很大的挑战。由于这些原因,从经济角度来看,这项研究似乎没有太大的价值。但是,如果我们利用夏季经常产生的雨水和闪电,闪电就能帮助我们解决严重的电力短缺问题,不仅是在夏季,在所有季节都是如此。

简而言之,闪电产生时会产生巨大的能量。如果我们能够储存这些能量,就能解决我们的能源问题。在材料科学领域,我们正在研究在现实世界中有许多应用的新材料,如纤维、半导体和新材料。要开发出一种能储存短暂爆发能量的技术还很困难,但随着时间的推移和研究的深入,我们希望能开发出能捕捉雷击能量的材料。