摘要：为满足医学领域或生态转型的迫切需求，开发新材料似乎势在必行。然而，生产这些材料所需的原材料开采及其低下的可回收性，正给环境带来沉重负担。我们该如何解决这个难题？

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为满足医学领域或生态转型的迫切需求，开发新材料似乎势在必行。然而，生产这些材料所需的原材料开采及其低下的可回收性，正给环境带来沉重负担。我们该如何解决这个难题？

“数十年来最严重的健康丑闻之一”、“一万种永不分解的污染物家族”、“法国遭受永久性毒害”、“PFAS的无休止污染”：这些是媒体近来对PFAS（全氟和多氟烷基物质的英文缩写）的报道标题。曾几何时，这些新型化学化合物因其多种特性（防粘、防火、防污、防水等）而备受推崇并得到广泛应用，但那个时代早已一去不复返了。如今，它们的毒性令人忧心忡忡。

这不禁让人想起石棉的故事——这种一度被视为绝佳的绝缘材料，后来被发现具有高度毒性。面对接连不断的丑闻，人们不禁要问：我们是否该停止发明新材料了？

但首先，什么是材料？材料是我们用来制造物品的物质。从科学角度看，材料的特征在于其化学成分（例如铁、硅、碳、氮、氟等原子的浓度）和微观结构（这些原子在各个尺度上的排列方式）。这两项特征共同决定了材料的机械、电气、磁学、美学等属性，而这些属性将指导我们选择将其用于何种特定物品。在利用天然材料之后，我们已经设计并生产了大量性能日益卓越、日益复杂的人造材料。 当然，没有人愿意回到铁器时代，但我们还有必要继续这场疯狂的竞赛吗？

新材料对健康的影响并非其唯一的弊端。这些材料往往依赖那些在开采过程中对环境造成重大影响的原材料。 以著名的稀土元素为例，如铒和镝，它们广泛存在于风力发电机的磁铁和电子设备的屏幕中。其矿藏浓度仅在1%至10%之间，而巴西铁矿的浓度则超过60%。

因此，为了获得微量的稀土元素，必须开采大量岩石。此外，还需要对矿石进行处理以分离出稀土元素，这一过程需要消耗大量能源、水和化学品。再以钛金属为例，它正在航空和生物医学领域崭露头角。钛矿的加工过程每生产一吨钛就会排放约30吨二氧化碳，是铁矿的15倍。

美国加利福尼亚州的山道矿是一个巨大的露天稀土矿床

新材料的另一个缺点在于：由于其化学成分复杂，导致回收效率低下，甚至无法回收。例如，用于飞机发动机的第四代超级合金至少含有10种不同的化学元素。一部智能手机就含有30种左右的元素。

这些新材料的种类繁多。据统计，工业领域广泛使用的600种铝合金被分为17个家族，此外还有约100种硬质塑料，如果算上其中添加的多种添加剂，数量则更为庞大。

试想，微小的镝原子在原子尺度上“迷失”于磁铁之中，而磁铁又与其他风力发电机部件层层嵌套，最终所有这些都被掩埋在形形色色的废料堆里。虽然存在能够对这些元素进行分类和分离的技术，但这些技术大多仍处于研究阶段。 在此之前，超过三十种化学元素的回收率低于1%，几乎可以说是零。

根据联合国环境规划署（UNEP）报告《金属回收率：现状报告》的数据，对金属和类金属的报废回收率进行估算。

那么，这些材料是否值得我们付出高昂的环境代价来生产和（过少地）回收？让我们抛开折叠屏幕等花哨而无用的应用，将注意力集中在能源转型上。

电动汽车和可再生能源的普及，似乎与其构成材料的发展密不可分。对于第四代核反应堆或雄心勃勃的核聚变项目而言，材料甚至是最关键的技术瓶颈。

这些新材料能否兑现其承诺？它们能否为社会和环境带来整体的正面效益？历史经验表明，这远非易事。

以结构材料轻量化为例。数十年来，该领域始终以降低车辆油耗为最终目标（这一目标值得称赞）。这在科学上取得了巨大成功。然而，现实却是汽车的重量持续增加，因为新增的各种功能抵消了轻量化带来的收益。 这就是所谓的“反弹效应”，这种现象在节能和（或）节材技术取得突破时屡见不鲜。

我曾参与组织了一场“未来世代法庭”（TGF）会议，这是一场以审判形式讨论重大社会问题的戏剧性会议。会议主题是“我们还应该继续发明新材料吗？”。多位证人出庭作证：包括材料科学研究人员、研发中心负责人以及一位科幻小说作家。听取证词后，陪审团以压倒性多数回答“应该”。

尽管我充分意识到上述种种有害影响，但我个人仍认为新材料的研发势在必行，因为我们不能剥夺后代未来可能获得的发现。 目前，一些实验室正在研发能够净化室内空气或定向给药的新材料。

我们当然希望给这些新材料一个机会！更不用说那些我们今天还无法预知、但未来会开辟全新前景的发现。此外，我们也不希望阻碍自身对知识的渴求。研究新材料就像探索地下隧道，试图了解它们是如何形成的。

扫描电子显微镜观察金属合金断裂后的表面。像右下角放大图那样“探索隧道”，有助于找出断裂的原因。最终目标是设计出更坚固的合金。

是的，我们应该继续发明新材料，但要彻底改变方式。首先，我们要拷问研究的目标：研究是为了实现什么？谁将从中获益？什么样的科学才适合什么样的社会？

这些虽然是老问题，但对材料科学的研究者而言却并不熟悉。参与式科学，例如通过公民咨询或让公民参与数据收集，是与社会建立互动的一种方式。

这种做法在自然科学领域正在发展，例如公民可以统计某一物种在特定地区的数量。一些公民团体甚至希望参与到关于预算和目标的研究计划讨论中来。 在材料科学领域，这种做法尚未出现，原因可能是研究过程经常需要使用复杂且昂贵的实验设备，或是同样复杂的数字模拟。

其次，我们必须在材料开发项目启动之初就排除有害应用，并全面纳入环境考量。 这需要应用为产品和服务制定的生态设计方法。评估温室气体排放量，同时评估材料生产、使用和报废过程中产生的资源消耗、污染以及对生物多样性的损害。

对于新材料，这些信息大多尚不存在，因此需要在实验室进行测量，然后进行推算。这本身就是一项重大挑战。为应对这一挑战，一个名为“跨学科工程研究环境影响指导与展望单位”（Utopii）的支持与研究单位刚刚成立，该单位由法国国家科学研究中心（CNRS）以及多所大学和工程学院共同组成。

那么，对于许多对环境有害但性能又非常可观的材料，我们该怎么办呢？那些成分列表长如手臂的超级合金，并非由一群顽固反对回收利用的人开发的，而是因为它们的高温性能确实远超前代产品。 这正是许多材料目前面临的艰难抉择：在性能（有时甚至有利于能源转型）与环境保护之间，究竟该如何取舍。

要打破这种僵局，我们必须改变观察的视角。正如生物学家奥利维尔·哈曼（Olivier Hamant）所建议的，如果我们从生物体中汲取灵感，将重点从“性能”（Performance）转向“稳健性”（Robustness）呢？

性能，是指在短期内实现一个非常具体的目标：在资源丰富、环境稳定的世界里，这是个不错的策略。而稳健性，则是指通过多功能性、冗余性和多样性来适应波动的能力。

在我们这个充满不确定性的世界里，稳健性很可能是更可取的那项选择。那么，如何将这种理念应用于新材料？是去创造至少部分可修复的材料，使其能够承受回收过程中的污染，还是去创造适用于多种应用的材料？在这片领域，似乎一切尚待探索。

从石棉到全氟和多氟烷基物质（PFAS），历史的警钟一次次回响。那些曾被奉为奇迹的造物，最终却可能成为世代人难以摆脱的负担。人类对“新”的追求，或许是时候转向对“安”与“久”的考量了。

当一项发明离开实验室，它就不再只是一组性能参数，而是嵌入了社会与生态的未来。真正的智慧，或许不在于能创造出多强的东西，而在于懂得该在何时停下、何时转向，以及——如何负责。

从智能手机到医疗植入物，新材料无处不在。你是否也曾思考过它背后的环境代价？聊聊你的看法。

作者： 玛蒂尔德·洛朗-布罗克 博士（Dr Mathilde Laurent-Brocq）

来源：老刘说科学