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目前已经找到一些硅的替代品用来制造更快、更强大的计算机芯片，以及生产更好的电池。这里面就包含石墨烯，这种只有一个原子厚度的“神奇材料”是于2004年由曼彻斯特大学发现的。许多其他纳米材料也在开发中。人们之所以对纳米材料如此感兴趣，是因为在微观层面合成物质时会产生很不寻常的现象。为了充分利用新特性或者更优的性能，可以使用现代加工工艺把很多块体材料转化为纳米材料。这些与粒子大小相关的特性包括物理、化学和光学等方面的性质。
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未来新材料方面的突破不仅会改变产品，还会改变人们的生活。未来更好的充电电池能够让电动汽车有更大的活动范围，也可以为移动设备（从智能手机到家用机器人）提供更长时间的续航。新材料也为重塑新能源市场提供了可能，可以把可再生能源存储到电网，或者存储到利用太阳能或者风能发电的建筑以及家庭里。到2050年，很多家庭或者企业可以远离电网，在电力供应方面保持一定的自主性。
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并不是所有的新材料都能够满足人们的预期，很多新材料都将因为未能大规模商业应用而被弃若敝屣。但是正如在发现新材料的过程中计算机提供了重要帮助一样，材料的工业化应用也将如此。在进行任何物理生产之前，越来越多的产品将先使用复杂的三维计算机辅助设计和建模系统进行虚拟原型开发。例如，一辆新车可以用计算机进行定制设计，对其引擎和悬挂系统进行调整，对其空气动力学性能进行优化。同时也可以通过虚拟现实在各种城镇以及道路环境中进行试驾。这些工程设计系统也考虑了材料的各种性质，如负荷、应力以及热力学等，能让利用新材料来改进产品变得更简单。另外，还可以使用计算机来设计和模拟将虚拟想法变成现实所需的生产系统。
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打印出一个新世界
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现实中，人们通常并不只是改造现有的生产方法，还会研发全新的生产工艺。其中一种吸引了很多眼球的技术是叠加制造，即大众更为熟知的3D打印。虽然3D打印在20世纪80年代就已经成形，但直到最近几年由于软件和硬件的改进才让其开始普及，下至低于1000美元的普通产品，上至超过100万美元的专业级工程系统，都可以使用此技术。
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这些机器现在能使用数十种不同的方法打印各种材料的物品，从塑料到玻璃、金属、陶瓷甚至生物物质。技术背后的基本原理都是相同的：把材料一层一层地叠加，而不是像传统工艺那样切割、钻孔、机械加工。这样减少了浪费，因为3D打印机只在需要的地方叠加材料。这些机器还可以生产那些传统生产工具很难或者无法制作的复杂几何形状，甚至是其他固体内部的结构，因为它可以从最底层一层一层地打印。
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开始时，3D打印主要用于快速的原型设计，又快又便宜地生产一次性样品。如果在工厂里调试传统机器来生产一次性样品，又慢又昂贵。但是3D打印机用软件来驱动，并且产品也是用同一个软件设计出来的，所以做完一个物件再做另外一个物件，只需要在软件里面调整一下就可以。叠加工艺现在也用于生产更多的成品。
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有人猜测，将来每个家庭都会拥有一台3D打印机，利用互联网上下载的设计图打印物品。在接下来的半个世纪，除了业余爱好者以及DIY（自己动手）发烧友，这可能不太现实。但是，3D打印将成为批量生产的一个组成部分。行业咨询家特里·沃勒斯预计，3D打印市场将从2016年的67亿美元增长到2040年的1.13万亿美元（见图10–1）。
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一些大型制造企业已经在叠加制造领域处于领先地位。其中通用电气（GE）已经在其位于亚拉巴马州的工厂安装了价值5000万美元的3D打印设备，用钴、铬和钼组成的“超级合金”为其新一代的LEAP飞机发动机生产燃油喷嘴。燃油喷嘴是须承受极高温和极高压的复杂部件，通常由20个左右不同的零件焊接在一起组成。对于LEAP发动机，通用电气使用电脑控制的激光把堆叠成层的原料粉末融化成所需的形状，一次成型将喷嘴打印出来。这样生产出来的喷嘴比原来的轻25%，耐用性高5倍。通用电气预计到2020年将会每年打印10万个燃油喷嘴。
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图10–1 3D打印市场
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空中客车公司也发明了一种专有的新材料，称为Scalmalloy，这是一种铝、镁、钪合金。这家欧洲的飞机制造商认为这种材料特别适合于制造飞机上轻质、高强度的金属部件，特别是结合3D打印机使用。
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在中国的大规模生产线上已经出现了第一台3D打印机，后续还将有更多。光宝科技是一家世界领先的代工厂，在其广州的工厂使用Optomec公司（位于美国新墨西哥州的阿尔伯克基）的打印机直接在手机或者其他电子产品中打印电路，如天线和传感器，而不是单独分开生产这些零件再让机器人或者工人进行组装。
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使用叠加工艺能够生产的物品范围越来越广泛，例如，生产大尺寸产品，一家名为盈创的中国公司正在打印房子。该公司使用一个巨大的挤压头，就像给蛋糕裱花边的挤压器一样，将速干的水泥和回收的建筑垃圾混合在一起组成建筑的各个模块，然后再进行现场拼装。田纳西州橡树岭国家实验室（ORNL）正在采用更加高科技的方法，它们与建筑设计事务所SOM合作，打印出绝缘的、可隔绝空气和水汽、带有外部保护层的建筑结构，该设想的初衷是开发一套零浪费的叠加建筑方法。
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3D打印也能生产小尺寸的产品，Scrona是苏黎世联邦理工学院的一家公司，正在使用3D打印机打印一些很小的物体。这种被称为NanoDrip的技术，顾名思义，使用含有纳米颗粒（只有100纳米或者更小）的微小液滴来打印微观结构，包括肉眼看不见的金、银导电网，能够让触摸屏有更好的响应能力。
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回收利用
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纳米技术将提高在制造业中长期使用的各种材料的性能。Modumetal是一家位于西雅图的公司，正在使用纳米材料通过电解沉积的方法来制造被称为“纳米多层膜”的金属镀膜，它与电镀有点类似，但是更为复杂。通过精确地控制电场，把悬浮在液体中的各种金属粒子附着到物体表面。这种技术也可以控制“纳米多层膜”中各种材料之间的相互作用。该公司已经开始在天然气和石油行业中使用这种涂层，宣称这种材料有着8倍于传统方法的抗腐蚀性。
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Modumetal公司认为在未来这种技术不仅可用于涂层，还可以使用传统的材料（如钢、锌、铝等）从纳米多层膜中“长出”完整的部件。另外，这种电解过程是可以逆转的，这就意味着，一旦纳米膜组件的使用寿命结束了，生产这些组件的材料就是可以回收的。
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随着材料越来越新奇，在制造业中，回收将必不可少。人们需要使用新的、便宜的方法来拆解诸如电子产品之类的废弃产品，回收这些废弃物中的各种材料。用钢铁制造的汽车和用铝制造的飞机相对来说可以直接回收利用，但是随着碳纤维在这些交通工具中的使用量增加，回收将变得更加困难。有一些公司正在研究回收碳纤维的方法，有一些方法是把碳纤维进行切割，然后用于生产低等级的部件，例如，不会受到大力冲击的面板。越来越多的可充电电池需要及时进行回收。有一些纳米颗粒是有毒的，但是科学家们还并不完全知道如果把它们抛弃在自然环境中将有什么长期影响。目前这些纳米颗粒有些堆积在陆地上，有些被冲洗到江河湖海中，每年都有几吨用于防晒霜的二氧化钛被冲洗到下水道中。
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制造商将需要越来越多地对其产品的所谓全生命周期负责，从提取用于制作生产材料的元素到这些材料的最终回收。这也有商业利益的驱动：用于高端制造的一些元素是非常稀有和昂贵的。“城市采矿”（urban mining）将是一个大有所为的行业，可以从废弃的电子产品、电动汽车、电池以及家具中提炼金、银、钕、钇、镝等材料。计算机将再次帮助企业对产品的生命周期进行建模，并对产品的拆解和回收进行模拟。
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所有这一切都将改变过去一个世纪以来制造业的运作方式。过去的大部分时候，制造产品很大程度上就是模仿抄袭，工厂使用同样的原材料，采用类似的生产工艺和设备。这些都很容易被复制，所以对于批量生产的商品来说，规模经济和工资成本最为重要，这样就驱使着制造业往低成本国家迁移。到2050年，很多迁移到海外的生产将会回归。
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制造业回流
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这个潮流之所以出现，有很多原因。首先，新材料和新生产技术能够提高制造业的灵活性，特别是产品定制和小规模生产的效率提升。这就意味着公司要在地理位置上更接近产品的销售市场，这样产品就能更好地根据市场量体裁衣，更快地应对需求的变化。
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工资成本仍然很重要，但随着大多数重复的工作可以自动完成，它的重要性会下降。很多项目还将在海外完成，但会在某些优秀的专业集中地完成，如中国南方的电子产业，而不是低工资的血汗工厂。商品类组件更是如此，如计算机芯片和其他电子元件。但是把这些零件组装成最终成品的工厂将更为分散，特别是定制类工厂。
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