以2016年诺贝尔奖“拓扑相变”为例浅析物理学对于新材料发展的影响

材料是人类生产生活的物质基础，新材料的使用及性能的开发已经成为各个高新技术领域发展的突破口。与传统材料相比，其优异的性能和特定的功能是发展信息、航天、能源等高新科技的重要物质基础，在各个方面都较好地推动了社会的进步和科技的发展。基于此，本文以“拓扑相变”为例浅谈了物理学对于新材料发展的影响，为科技的创新和进步提出了相应的参考依据。

众所周知，人类文明的进步、社会科技的发展与材料的发展有着千丝万缕的关系，材料是我们生产生活的一部分，是发展科学技术和社会经济的重要物质基础，材料的品质、产量、种类直接影响了一个国家在科技领域的发展。加快新材料技术突破与应用对我国基础产业、战略性新兴产业和国防建设都有长远意义。工业上，要实现先进的设计和构想，需要性能优异、功能稳定的新材料作为基础和先导，在此基础上才能把设计和构想变成现实。

物理学的基础是研究材料的性能、结构和机理，是材料科学发展的主动力。新材料产业的发展与物理现象的发现、物理理论的指导有密切的关系。

比如，光导纤维材料就是科学家偶然从物理现象中发现的，光导纤维在现代信息中被广泛用作传输材料，利用其制成的激光纤维传感器，比传统材料耐高温、寿命长、成本低、抗电磁干扰能力强，被广泛用在电力系统和石油、化工或大型电厂系统内。新材料产业是未来全球科技发展的关键技术之一，在科技创新方面的研究和应用，必将有着十分广阔的发展前景。

诺贝尔奖“拓扑相变”的简介

2016年10月4日，诺贝尔奖评委会宣布获得2016年诺贝尔物理学奖的三位科学家分别是大卫苏奥雷斯、迈克尔科斯特利兹以及邓肯霍尔丹，以奖励他们物理理论上又一重大发现——拓扑相变及拓扑相理论，而这一重大理论的发现推动了材料科学的发展与创新。

三位科学家的研究打开了一个未知的世界，证明了物质其实可以以一种奇怪的状态存在，他们利用数学领域的研究方法来研究特殊物质的状态，比如磁膜、超导和超流体等，他们的研究成果给未来材料学的发展带来了革命性的影响。

比如拓扑绝缘体，它的特点在于，拓扑绝缘体的体内与人们认识的绝缘体一样，是不能导电的，但是在它的表面却存在着导电的边缘，这样的边缘是稳定的，且与普通的自旋导电电子的运行方式相反，所以它是通过电子自旋来传递信息，而不是以传统的通过电荷的方式进行传递，这样就减少了能量的流失，它的发现对未来电子计算机等产业产生了巨大的影响。

新材料的简介

新材料的概念与特点

1）概念：新材料是指与传统材料相比，性能更加优异、功能性更强的一类新型材料。新材料作为科技创新的基础，广泛地应用在人类生产生活领域，新材料技术称为21世纪三大关键技术之一。总体来说，未来新材料产业将向更智能、更环保的方向发展，为发展高新科技、增强国防建设、改造和提升传统产业提供了坚实的保障。

2）特点：一是覆盖范围极广，新材料科学与能源领域、医疗领域、信息领域、交通领域和工农业领域等联系越来越紧密，新材料科学与这些领域的交叉技术对我国的新材料產业的发展起到了极大的推动作用。

二是与人类发展密不可分，新材料是人类发展的基础，并为社会的可持续发展提供了必不可少的支持，从而最大程度地推进了人类社会的发展，未来在新工艺和新技术的影响下，新材料对人类现代生活将带来更大的影响。

三是发展方向向智能化和多功能方向转变，21世纪，新材料技术将在人工智能、环境保护以及自动化等领域有更大的突破，这些产品会加快我国信息产业技术和生物科学技术的发展，同时新材料的开发与使用关系更加紧密，增加了材料的性能，减少了资源的浪费。

发展新材料的重要性

进入21世纪，新材料在国内的影响急剧扩大，已经进入前所未有的发展阶段。随着我国社会经济的迅猛增长，对新材料的种类和数量的要求都在急剧增加，为了提高我国科学技术水平和改造提升传统产业，实现社会经济可持续发展，大力发展新材料产业势在必行。

1）新材料是现代科学技术的基础。

每一项新技术的诞生都是以新材料科学为基础的，比如我国在现代电子信息技术产业的发展和成就，依赖于新半导体材料技术的突破，新型电子信息材料的开发与使用大力促进了我国电子信息产业的发展，使其成为我国的支柱性产业。我国对激光和光导纤维材料的开发与使用，把人类带入了光通信时代，与传统材料相比，光材料具有传输效率高、能耗率低、无信号干扰的特点，为我国的手机、电脑产业带来了突破性的进展。所以，由新材料带来的影响将有利地推动我国高新科学技术产业的高速发展。

2）新材料是我国社会经济和国防建设的支柱。材料科学是人类生活的基础，与人类的工作、通信等其他活动息息相关，并随着时代发展，材料科学已经深入到我们生活的各个角落，成为高薪技术产业发展的核心和基础。新材料科学的发展体现了我国工业水平和综合国力，推动了我国社会经济的可持续发展。

3）新材料是实现可持续发展的主动力。可持续发展的前提是科学技术的成熟与深度应用，只有这样人类才能在不破坏生态环境的前提下实现经济社会的可持续发展，而新材料的发展正好填补了这一要求。一方面国家要在材料科学这一领域加大投入，组织好我国现有的材料科学工作者和可用研究力量，培养出一支从事新材料的研究与开发的有力队伍。另一方面，我们要以现有的科学水平为基础，加大力度开展技术创新，实行重点领域重点突破，这样我国的材料科学领域才能站在世界的前沿，更好的为社会经济可持续发展添入新鲜活力。

物理学对于新材料发展的影响：以“拓扑相变”为切入点

物理学与材料科学有着密切的联系，物理学是一门基础科学，可以让人类更好地认识自然、了解世界。物理学为各个时代材料科学的发展提供了持续的动力，新材料技术的发展与应用给人类的生活带来了翻天覆地的变化。物理学对材料科学的发展有着相应的先导作用，为了攻克某个领域的难题或是解释某个谜团，科学家需要发明新的材料或者提出相应的理论，从而实现材料的创新。物理学的发展推动力材料科学的发展，同时，新材料的产生也为物理学提供了先进的设备和手段，他们共同改善着人类的社会，使人类社会不断发展进步。

物理学推动了新材料在汽车工业领域的应用

随着时代的进步和社会的发展，物理学已经渗透到我们生活的各个领域，可以说我们的衣食住行等方方面面都与物理学紧密联系在一起。物理学中有关拓扑相变学原理的基础性研究，在为物理学带来深远影响的同时，也为一系列新材料产业的研发奠定了坚实的基础。如拓扑材料研究的热点之——轻量化新材料，就是材料创新的一个典型例子。随着人们节能环保意识的增强，材料轻量化已经广泛应用于汽车生产领域，汽车轻量化的改造使之重量减轻的同时拥有更好的操作性，同样的发动机输出功率能产生更高的速度，并且刹车的制动距离更短。汽车轻量化重要性在于其保持了汽车原来的性能不变，并在此基础上减轻了汽车自身的重量，加强汽车的抗震、抗撞等性能，并且降低汽车耗能量，减轻环境污染。通过汽车结构的精准化设计，使用新材料——球墨铸铁替传统车身材料，新材料球墨铸铁拉伸强度可达500MPa，自身韧性高，可用来代替传统车辆底盘材料或者转向节等安保零件。蠕墨铸铁应用在汽车发动机内部的诸如气缸体、排气歧管以及气缸盖等部件上的最大优点在于，与传统材料相比自身重量减少20%，而发动机的强度则提高15%左右。

物理学推动了新材料在电子信息领域的应用

以“拓扑相变”理论为基础开发的新材料石墨烯，是一种有碳原子构成了蜂窝状平面薄膜，具有强度高、导热、导光、导电等的光学特性，使新材料在电子信息领域得到了长足发展。2010年，IBM公司用石墨烯材料制成的晶体管工作频率可高达100GHz，石墨烯作为新材料被用于晶体管制造，具有高度稳定性的结构，并电子穿过石墨烯材料几乎没有阻力，过程中几乎没有热量产生，由石墨烯晶体管制成的电子产品运行速度是传统材料的2—3倍，利用该材料制成的计算机，其计算速度达到了太赫兹级别，是传统计算机的1 000倍，所以石墨烯作为新材料，未来前途一片光明。

物理学推动了新材料在电力方面的应用

以“拓扑相变”为基础研究出来的新材料拓扑绝缘体，它的独特性质在于拓扑绝缘体内部是绝缘不通电的，但是其表面以及边界处于导电边缘添态，而且这种状态是稳定的，并且其中不同的导电电子的运动方向是相反的。所以与传统材料相比，它可以利用电子自旋的属性来传递信息。利用拓扑绝缘体材料在工作中不会产生热量的原理，所制造出来的芯片，应用在手机、电脑等电子设备上，可以解决电子设备在充电或者长时间使用情况下发烫的问题，所以进一步来说，就是不会损失能量。并且能有效解决設备、器件在规定温度范围内正常使用问题，不需采用冷却、加热或者恒温装置，也能有效地解决手机因发热而爆炸等问题。此外，拓扑材料在电力方面也有很大的发展性，发电厂在输出电力的过程中，初始电压远远高于220V，但是在运送过程中由于产生热量，损失了很大一部分电量，假如在未来，将电线改造升级，用拓扑绝缘体材料制造电线，将能在很大程度上降低电量在运送过程中的损耗，从而避免电力的浪费。

物理学推动了新材料在量子计算领域的应用

随着拓扑学研究的深入，拓扑超导体也出现在人们的视野里。拓扑超导体在铁基高温超导材料的基础上研发出的一种材料，该材料处于一维拓扑边界态。拓扑超导态是物质的一种新的状态，与传统超导材料不同，拓扑超导材料同时拥有超导材料和拓扑材料的特性，其内部是超导态，而边界或者是表面会存在厚度约 1纳米的无能隙金属态。利用拓扑超导材料的这种特性，制造的量子计算机，其运算速度可比传统量子计算机高出许多倍。并且拓扑超导材料能够处理传统量子技术所面临的退相干等复杂问题，延长其存活的时间，所以拓扑超导材料对量子计算机发展的重要性不言而喻。

结论

综上所述，新材料作为现代高科技的基础，带动了相关技术产业的迅速发展，是人类发展进步的标志之一，任何的高科技技术都离不开材料的设计和制造，新材料的开发和应用支撑着社会文明的发展和科技的进步。而新材料技术的进步得益于以拓扑相变为代表的物理学的发展和深度应用。笔者相信，随着拓扑相变等物理学理论的不断被发现和应用，新材料技术会越来越成熟，必将推动新常态背景下经济社会的转型与升级。

参考文献

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（作者简介：杨珖，山西大学附属中学。）

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