数百万吨细金属线缠绕在我们的设备内，缠绕在我们的墙壁上，沿着我们的街道串起，让世界充满活力。他们的工作是良性的，如此自然，以至于它根本不像技术。

但总有改进的余地。金属导电是因为它们含有不受任何特定原子束缚的自由电子。流动的电子越多，它们走得越快，金属的导电性就越好。因此，为了提高这种导电性，材料科学家通常在寻找更完美的原子排列。他们的主要目标是纯度——去除任何破坏流动的异物或瑕疵。一大块金越是金，铜线越是铜，它的导电性就越好。其他任何事情都会妨碍您。

太平洋西北国家实验室的材料科学家 Keerti Kappagantula 说：“如果你想要真正具有高导电性的东西，那么你就必须做到纯净。” 这就是为什么她认为自己的研究相当“古怪”。她的目标是通过降低纯度来提高金属的导电性。她将采用铝等金属并加入石墨烯或碳纳米管等添加剂，制成合金。Kappagantula 发现，以正确的方式做到这一点，额外的材料会产生奇怪的效果：它可以推动金属超过其理论导电性极限。

在这种情况下，关键是要制造出可以在电气设备中与铜竞争的铝——这种金属的导电性几乎是铜的两倍，但成本也大约是铜的两倍。铝有好处：它比铜轻得多。作为地壳中最丰富的金属——比铜多一千倍——它也更便宜、更容易挖掘。

另一方面，随着世界向绿色能源过渡，铜的采购难度越来越大。虽然长期以来在电线和电机中无处不在，但对它的需求正在激增。电动汽车使用的铜大约是传统汽车的四倍，而可再生能源发电厂的电气元件以及将它们连接到电网的电线将需要更多的铜。专注于能源的研究公司 Wood Mackenzie 的分析师估计，海上风电场10 年内将需要 5.5 兆吨的金属，主要用于发电机内的大型电缆系统以及将涡轮机产生的电子输送到岸上。近年来，铜价飙升，分析师预计铜的短缺将越来越大。高盛最近宣布它为“新石油”。

一些公司已经在可能的地方将其换成铝。近年来，从空调到汽车零部件的所有部件都发生了数十亿美元的转变。高压电力线已经使用铝线，因为它们既便宜又轻便，可以在更长的距离上串起来。铝通常是最纯净和高导电的形式。

但这种转换最近有所放缓——部分原因是已经针对铝最有意义的应用进行了互换，Wood Mackenzie 铜市场首席分析师乔纳森·巴恩斯 (Jonathan Barnes) 表示。为了在更广泛的电气应用中使用，电导率是主要限制。这就是为什么像 Kappagantula 这样的研究人员正在尝试重新设计这种金属。

工程师通常设计合金来提高金属的其他品质，如强度或柔韧性。但这些混合物的导电性不如纯物质。即使一种特定的添加剂特别擅长传输电力（Kappagantula 使用的碳基材料就是这种情况），合金中的电子通常难以从一种材料跃迁到另一种材料。它们之间的接口是症结所在。

可以在并非如此的情况下设计界面，但这必须小心。制造铝合金的通常方法不会切割它。一个多世纪以来，如果您还记得您的高中化学教科书，铝金属的生产过程可能听起来很熟悉：从铝土矿（主要发现该元素的沉积岩）中提取氧化铝的拜耳法，其次是Hall-Héroult 工艺将材料熔炼成铝金属。

第二个过程涉及将金属加热到近 1000 摄氏度，使其熔化——这是一个对气候不太友好的过程，这也是为什么生产铝所需的能源大约是生产所需能源的四倍的主要原因铜。在这些温度下，制造适当细微差别的合金会出现问题。对于像碳这样的添加剂来说，它太热了，它会失去其精心设计的结构，并最终在金属中分布不均。这两种物质的分子重新排列形成所谓的金属间化合物——一种充当绝缘体的硬而脆的材料。电子不能从一侧跳到另一侧。

相反，PNNL 的研究人员转向了一种称为固相制造的工艺，该工艺结合了剪切力和较低温度下的摩擦，将新的碳材料分层到金属中。关键是在足够高的温度下进行此操作，以使铝变得柔韧——处于所谓的“塑料”状态——但不会熔化。这使得 Kappagantula 可以仔细控制材料的分布，然后通过模拟新合金原子结构的计算机模拟进行验证。

将这些材料移出实验室将是一个漫长的过程。该团队的第一步是生产由新合金制成的电线——首先是几英寸长，然后是几米长。接下来，他们将制造可以通过一系列测试的棒材和板材，以确保它们不仅导电性更强，而且足够坚固和灵活，可用于工业用途。如果它通过了这些测试，他们将与制造商合作生产更多的合金。

但对 Kappagantula 来说，重新发明两个世纪以来制造铝的工艺是值得的。“我们需要大量的铜，而且很快就会出现短缺，”她说。“这项研究告诉我们，我们正走在真正正确的道路上。”

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