Кратко: материалы задают базовую физику доступных устройств и процессов; ключевые открытия в материаловедении меняли эффективность энергии, возможность хранения, обработку информации и способность модифицировать среду — что приводило к глубокой технологической и социальной трансформации.
Исторические примеры
- Бронзовый век (переход к меди/бронзе, даты примерно $\sim 3300\text{–}1200$ до н.э.): бронза дала более твёрдые и износостойкие орудия и оружие, улучшила сельскохозяйственные орудия и торговлю металлами — рост специализации, городов и дальних обменов.
- Железный век (переход к массовому использованию железа, $\sim 1200$ до н.э. и далее): доступность более прочного материала снизила стоимость инструментов/оружия, способствовала запуску масштабных инфраструктурных проектов, военных реформ и демографического роста.
- Открытие полупроводников и транзистора (первый транзистор $1947$): контроль электронных свойств материалов позволил миниатюризацию и экспоненциальный рост вычислительной мощности — информационная революция, глобализация, новые формы экономики и науки.
- Разработка литий‑ионных батарей (коммерциализация примерно $1991$): лёгкая, высокая энергоёмкость аккумуляции энергии сделала возможными мобильную электронику и практичные электромобили — перенос энергетики в мобильные устройства, изменение транспортной и электрической инфраструктуры.
Механизмы влияния (кратко)
- Повышение свойств (прочность, твёрдость, проводимость, энергоёмкость) снижает стоимость функций и делает возможными новые архитектуры устройств.
- Массовая доступность материалов трансформирует институты (война, торговля, городское планирование, образование).
- Новые материалы создают платформы для дальнейших технологических слоёв (например, полупроводники → ИТ → интернет → ИИ).
Какие направления материаловедения могут коренным образом изменить XXI век
(с прогнозными сроками: ближние — $5\text{–}10$ лет, средние — $10\text{–}30$ лет, дальние — $30+$ лет)
- Энергетические материалы
- твёрдотельные и улучшенные литий‑ионные/натрий‑ионные батареи (ближние/средние): выше плотность энергии, безопасность — массовая электрификация транспорта и хранения возобновляемой энергии;
- топливные/электролитические материалы для водорода и синтеза топлива (средние): декарбонизация транспорта и химии;
- материалы для термоядерного реактора (плазмостойкие сплавы, аддитивные керамики) (средние/дальние): радикально дешёвая и чистая энергия при успехе.
- Фотоника и полупроводниковые/квантовые материалы
- 2D‑материалы (graphene, MoS2) и ван‑дер‑Ваальсовы гетероструктуры (ближние/средние): новые электронные/оптоэлектронные устройства, датчики, гибкая электроника;
- топологические и квантовые материалы (средние/дальние): устойчивые к шуму кьюбит‑платформы, новая электроника (низкое энергопотребление), квантовые сети.
- Сверхпроводимость при высоких температурах
- поиск и стабилизация материалов с сверхпроводимостью ближе к комнатной температуре (дальние): радикальная трансформация передачи электричества, магнитных технологий, энергосистем.
- Катализаторы и сорбенты для климата
- MOF, COF, наноструктурированные катализаторы для захвата/переработки CO2 и производства синтетических жидких топлив (ближние/средние): масштабная борьба с климатическим изменением и сырьевая замена нефти.
- Биоматериалы и материалы для медицины
- интерфейсные материалы для регенеративной медицины, умные импланты, биосовместимые наноматериалы для доставки лекарств (ближние/средние): индивидуализированная медицина, продление здоровой жизни.
- Нанотехнологии и метаматериалы
- управляемая оптика/акустика, невидимость, сверхплотные датчики, управляемая механика (ближние/средние): новые формы устройств, строительные и оборонные применения.
- Материалы для вычислений нового класса
- спинтроника, мемристоры, нейроморфные материалы и материалы для фотонных вычислений (средние): выход за пределы кремниевой логики, существенное снижение энергопотребления вычислений, аппаратный ИИ.
- Производственные и устойчивые материалы
- материалы, оптимизированные для аддитивного производства и для циклической экономики (переработка, биоразложимость) (ближние): локализация производства, уменьшение отходов, устойчивые цепочки поставок.
Ожидаемые социально‑технологические эффекты
- Энергетическая децентрализация и переустройство сетей; снижение выбросов при успехе энергетических материалов.
- Изменение мобильности (автономные EV, электроперевозки с большей дальностью).
- Новая волна автоматизации и вычислительной плотности: ИИ интегрируется глубже в экономику.
- Персонализированная медицина и продление активной жизни.
- Геополитические сдвиги по ресурсам (критические элементы, редкие материалы) и новые зависимости (редкоземы, литий, никель, редкие металлы для квантовых/фотонных технологий).
Краткий вывод: исторически именно новые материалы открывали платформы для следующих технологических слоёв; в XXI веке наиболее трансформирующими будут материалы, которые обеспечат дешёвую, компактную и безопасную энергию, качественно новые способы обработки/хранения/транспорта информации и стабильные каталитические/структурные решения для устойчивой экономики.