5月12日，新華網(wǎng)發(fā)文，紀(jì)念汶川大地震十二周年：遙憶悲傷，記住災(zāi)難中不屈的精神。2008年5月12日，14時28分04秒，汶川，8.0級地震，近7萬人遇難。有網(wǎng)友說：“不忘災(zāi)難，致敬堅守，致敬所有的負(fù)重前行，愿以后的日子，山川無恙，一切皆安然?！?/span>
近日，廣州虎門大橋的異振現(xiàn)象稱為網(wǎng)絡(luò)熱點。經(jīng)“專家組”初步判斷，大橋本次振動的主要原因，是由于沿橋跨邊護欄連續(xù)設(shè)置水馬，改變了鋼箱梁的氣動外形，在特定風(fēng)環(huán)境條件下產(chǎn)生的橋梁渦振現(xiàn)象。據(jù)報道，相關(guān)抑振措施正在研究實施中。按照維基百科的解釋，渦振背后的原因是“卡門渦街效應(yīng)”。所謂卡門渦街效應(yīng)，是指在流體中安置阻流體后，在特定條件下，會出現(xiàn)不穩(wěn)定的邊界層分離，阻流體下游的兩側(cè)，會產(chǎn)生兩道非對稱性排列的漩渦，其中一側(cè)的漩渦沿順時針方向轉(zhuǎn)動，另一側(cè)漩渦則反方向旋轉(zhuǎn)，這兩排漩渦相互交錯排列，各個漩渦和對面兩個漩渦的中間點對齊，如街道兩邊的街燈般。由于這種現(xiàn)象是匈牙利裔美國空氣動力學(xué)家西奧多·馮·卡門最先從理論上闡明的，因而得名卡門渦街。卡門渦街現(xiàn)象中，由于漩渦的交替脫落，產(chǎn)生脈動載荷，當(dāng)其與阻流體（高層建筑、橋梁等）結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在外載荷作用下出現(xiàn)共振，這就是所謂的渦激共振，土木工程領(lǐng)域稱之為渦振。
渦振的一大特點是“限幅”，也就是隨著風(fēng)力的增加，振動幅度也只會限制在一個鎖定的區(qū)間內(nèi)，不會像塔科馬大橋顫振一樣越演越烈，短期內(nèi)相對安全可控，長期需保持監(jiān)測。有科學(xué)家指出，美國的塔科馬大橋倒塌于顫振（flutter），而非已背鍋幾十年的“渦振”。所謂顫振，是由于具有彈性的結(jié)構(gòu)體吸收氣流中的能量，產(chǎn)生自振動，當(dāng)其與結(jié)構(gòu)的固有振動振型頻率相近時，導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)振動發(fā)散。用專業(yè)語言來闡述，顫振是一種自激振動，是結(jié)構(gòu)在氣流中，因為流固耦合產(chǎn)生的負(fù)阻尼運動現(xiàn)象。顫振在不同工程問題中有不同的表現(xiàn)形式，如常見的模態(tài)間耦合顫振，跨聲速嗡鳴，失速顫振，葉輪機葉片的行波顫振，等等，有些物理機制十分復(fù)雜，仍有待深入研究。在統(tǒng)一的理論架構(gòu)下，由于流固耦合導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)模態(tài)的失穩(wěn)現(xiàn)象，都可稱為顫振。接下來我們介紹今天的主題：2020年材料科學(xué)的“七宗最”。材料科學(xué)工程的研究起源可追溯到18世紀(jì)。這是的一個非常重要的學(xué)科。沒有它，我們就無法理解、發(fā)現(xiàn)和利用我們身邊的大部分材料。沒有它，就不會有飛機、汽車、電腦、智能手機和你生活中所見到的大多數(shù)其他東西。自古以來，擁有先進材料資源的部落或帝國，往往對周圍部落或國家擁有話語權(quán)，例如那些率先使用新金屬(如青銅或鐵)的國家。材料科學(xué)研究有許多不同的研主題，其中某個領(lǐng)域的突破，或?qū)⒊蔀橄乱淮沃卮笞兏锏耐剖?。正如半?dǎo)體的發(fā)現(xiàn)將我們帶入計算機時代（或硅時代）一樣，也許憶阻器（Memristor）或拓?fù)浣^緣體（topological insulators）會把我們帶入量子計算機時代；過渡金屬二硫化物（transition metal dichalcogenides）也許會開辟新的光電器件領(lǐng)域，而超材料（metamaterials）也許將揭開事物隱形的秘密。讓我們來盤點一下2020年材料科學(xué)研究的“七宗最”。首先，讓我們看一下2017年至2018年期間，材料科學(xué)研究領(lǐng)域增長最快的研究主題，和1995年至2018年期間，每年出版的論文數(shù)量變化趨勢。
1995年至2018年材料科學(xué)中發(fā)展最快的研究主題的圖表。數(shù)據(jù)來源：ScienceDirect.com據(jù)統(tǒng)計，2018年發(fā)表論文數(shù)最多的主題是石墨烯，超過2萬篇。自2009年以來，石墨烯是最受熱捧的材料。與2009年至2014年相比，盡管其增長速度略有放緩，但石墨烯論文的發(fā)表數(shù)量仍逐年穩(wěn)步增長。相關(guān)研究正轉(zhuǎn)向探尋石墨烯的大規(guī)模制造方法，以及一些新的有趣的應(yīng)用領(lǐng)域。
排名第二的是鈣鈦礦材料。這方面的研究主要是從2012年開始的。當(dāng)時的人們意識到，與其他太陽能電池材料相比，鈣鈦礦更有可能實現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)化效率。2009年，鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率記錄為3.8%，而到2018年，這一數(shù)據(jù)已提高到23.3%。基于鈣鈦礦的太陽能電池，具有良好的光吸收、載流子遷移能力和較低的制造成本，這使它們成為提供低成本太陽能電力的有力競爭者。
三、材料信息學(xué)（Materials informatics）論文數(shù)量排名第三的是材料信息學(xué)，這是一個可能對材料科學(xué)產(chǎn)生巨大變革性影響的領(lǐng)域。目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)正擴展到幾乎所有的技術(shù)領(lǐng)域，材料科學(xué)也不例外。材料信息學(xué)是材料科學(xué)和信息學(xué)領(lǐng)域的融合，目的是幫助材料的使用、選擇、開發(fā)和發(fā)現(xiàn)。
四、選擇性激光燒結(jié)（Selective laser sintering）選擇性激光燒結(jié)(SLS)是一種用于金屬和聚合物的增材制造方法。就像材料信息學(xué)一樣，數(shù)字化無疑也對制造業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，以至于增材制造被認(rèn)為是第四次工業(yè)革命的一個重要方面。SLS在可適用于多種材料，除了可用于打印金屬，還可用于打印熱塑性塑料、陶瓷或玻璃。這是另一個非常有趣的話題，也是統(tǒng)計清單上增長第二快的研究領(lǐng)域。“超材料”是21世紀(jì)以來出現(xiàn)的一類具有特殊性質(zhì)的人造材料，這些材料是自然界沒有的。它們擁有一些特別的性質(zhì)，比如能改變光、電磁波的通常性質(zhì)，而這樣的效果是傳統(tǒng)材料無法實現(xiàn)的。超材料在成分上沒有什么特別之處，它們的奇特性質(zhì)源自其精密的幾何結(jié)構(gòu)以及尺寸大小。超材料的微結(jié)構(gòu)尺度小于作用于它的波長，因而得以對電磁波施加影響。超材料的起步研究是負(fù)折射率超材料。例如，超材料已被設(shè)計為具有負(fù)折射率的材料，這或可用于超透鏡。超材料某種形式的隱形特性已被證實，從而開啟了超材料隱形領(lǐng)域的研究。六、過渡金屬二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides）二硫化物是迄今為止各類科學(xué)出版物中增長最快的術(shù)語，從2017年到2018年，該術(shù)語的出現(xiàn)率增加了54%。其背后的推手是對過渡金屬二硫化物的大量研究。這些過渡金屬二硫化物是具有MX2排列結(jié)構(gòu)的材料，其中M是過渡金屬原子（例如Mo，W，Ti，V和Nb），X是硫?qū)僭卦樱⊿，Se或Te）。人們對它們的主要興趣在于，它們可以被制成單分子層，類似于石墨烯，例如二硫化鉬MoS2。這些材料有可能應(yīng)用于超導(dǎo)體和半導(dǎo)體器件。
七、拓?fù)浣^緣體(Topological insulators)最后一個研究熱點是在2019年成為熱門話題的拓?fù)浣^緣體。這些材料，在其內(nèi)部表現(xiàn)為絕緣體，而在其表面卻能導(dǎo)電。這種表面?zhèn)鲗?dǎo)涉及到受對稱保護的表面狀態(tài)。目前，人們對這種材料的興趣主要集中在揭開物理學(xué)的一些秘密上。然而，它具有應(yīng)用于量子計算機自旋電子器件和晶體管方面的前景，而后者很可能成為未來幾年最重要的研究主題之一。如果您對用于計算的新電子材料感興趣，那么拓?fù)浣^緣體和過渡金屬二硫化物可能是您需要深入研究的領(lǐng)域。如果您對可再生能源感興趣，鈣鈦礦太陽能電池是一個正在迅速發(fā)展的研究主題。如果您想了解人工智能和大數(shù)據(jù)如何幫助我們發(fā)現(xiàn)新材料，則材料信息學(xué)可能就是您喜歡的菜。材料科學(xué)領(lǐng)域充滿奧秘，充滿樂趣，期待著您的探索和發(fā)現(xiàn)。
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