世界新材料技術(shù)發(fā)展報(bào)告

縱觀歷史，人類社會(huì)生產(chǎn)力的提升、政治軍事的變革，背后往往伴隨著新材料的誕生?？梢哉f(shuō)，人類文明的變革史，也是一部新材料發(fā)現(xiàn)與利用的歷史。近幾十年來(lái)，眾多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，都以新材料技術(shù)的突破為前提和基礎(chǔ)，尤其是電子信息材料、新能源材料、生物醫(yī)用材料等極大地改變了人們的生產(chǎn)生活方式。當(dāng)前，在全球新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命的大背景下，世界主要國(guó)家都將發(fā)展新材料作為主要的科技政策之一，旨在搶占科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)。2020年，全球政治經(jīng)濟(jì)形勢(shì)發(fā)生了深刻復(fù)雜的變化，世界經(jīng)濟(jì)重心調(diào)整、國(guó)際政治經(jīng)濟(jì)格局加速變化及國(guó)際貿(mào)易摩擦持續(xù)上演，這些給中國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)升級(jí)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來(lái)了新的機(jī)遇。在可見(jiàn)的未來(lái)，新材料與消費(fèi)電子、新能源汽車、人工智能、5G、智慧城市、智能家居及數(shù)字經(jīng)濟(jì)等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將會(huì)高度融合，新材料創(chuàng)新的步伐將會(huì)持續(xù)加速。

一、世界新材料技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要?jiǎng)酉?/strong>

近年來(lái)，綠色可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)對(duì)新材料發(fā)展提出了更高要求，新材料產(chǎn)業(yè)加速向高端化、綠色化及智能化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。2020年，在國(guó)家政策和下游市場(chǎng)的雙重推動(dòng)下，中國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)持續(xù)保持穩(wěn)定增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院整理的數(shù)據(jù)顯示，2019年，中國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值為4.5萬(wàn)億元，初步估算2020年全國(guó)新材料產(chǎn)值超6萬(wàn)億元。2020年，逆全球化的陰霾依舊濃重，針對(duì)某些國(guó)家和地區(qū)的科技遏制仍在不斷上演，極大限制了這些國(guó)家和地區(qū)的高技術(shù)發(fā)展。與此同時(shí)，新冠肺炎疫情的爆發(fā)給全球高技術(shù)供應(yīng)鏈帶來(lái)極大威脅。在此背景下，世界各國(guó)繼續(xù)保持對(duì)新材料研發(fā)的高度關(guān)注，旨在以此推動(dòng)電子信息、5G通信、新能源和生物醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展變革。

（一）發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)新材料領(lǐng)域展開新一輪布局

當(dāng)前，世界主要國(guó)家普遍面臨人口老齡化、環(huán)境資源惡化及經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢等諸多挑戰(zhàn)。從全球范圍來(lái)看，科技強(qiáng)國(guó)無(wú)一不在積極部署人工智能、先進(jìn)制造、新能源和生物醫(yī)療等前沿技術(shù)領(lǐng)域，致力于通過(guò)科技發(fā)展解決人口、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等方面的難題。新材料作為發(fā)展前沿技術(shù)的基礎(chǔ)，更受到世界各國(guó)的廣泛重視。2020年，美歐日等科技強(qiáng)國(guó)和地區(qū)出臺(tái)的科技戰(zhàn)略或規(guī)劃中，都將新材料作為未來(lái)的優(yōu)先研發(fā)事項(xiàng)，以支撐新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

（1）美國(guó)圍繞材料、化學(xué)領(lǐng)域制定新研究計(jì)劃

2020年7月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)先后宣布向“材料研究科學(xué)與工程中心”和“化學(xué)創(chuàng)新中心”合計(jì)投入約2.6億美元，旨在通過(guò)與跨學(xué)科、多機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊(duì)開展合作，應(yīng)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，推動(dòng)新技術(shù)發(fā)展。其中，材料領(lǐng)域正在新建3個(gè)新的研究中心，研究方向包括三大方面：一是雜化、活性和響應(yīng)材料，重點(diǎn)是合成具有自組裝和其他預(yù)設(shè)計(jì)特性的納米材料，主要方向涉及基于仿生技術(shù)和新型有機(jī)材料制造的納米機(jī)器，以及使雜化無(wú)機(jī)量子材料用于新的光電電路或器件；二是極端環(huán)境材料，重點(diǎn)是在生物環(huán)境和極端條件下研究合成材料，包括研制出能夠承受極端環(huán)境的具有空前物理性能的材料；三是生物合成材料，重點(diǎn)是將工程生物與人造聚合物結(jié)合，主要方向包括通過(guò)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)理解、預(yù)測(cè)并最終控制材料的性質(zhì)（在僅大于分子的微觀尺度層面），以及利用革命性生物技術(shù)工具來(lái)構(gòu)建新的材料類別，使其以有效的方式對(duì)周圍環(huán)境刺激做出反應(yīng)等。

此外，在化學(xué)領(lǐng)域?qū)⑾虿牧项I(lǐng)域3個(gè)中心的第2階段資助6000萬(wàn)美元，研究方向同樣包括三大方面：一是合成有機(jī)電化學(xué)，通過(guò)新的合成化學(xué)、預(yù)測(cè)理論和表面化學(xué)，探索新型電化學(xué)反應(yīng)在有機(jī)合成和材料化學(xué)中的應(yīng)用；二是基因編碼材料，致力于合成受自然“工程機(jī)械”核糖體啟發(fā)的聚合物，使其既具有預(yù)設(shè)的多樣化序列，又有特定的長(zhǎng)度；三是可持續(xù)納米技術(shù)，評(píng)估納米技術(shù)對(duì)環(huán)境和生物分子水平的影響，范圍涉及電池、電子產(chǎn)品和靶向藥物等。

（2）日本、英國(guó)持續(xù)關(guān)注新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，致力于打造科技創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)

2020年5月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省發(fā)布《2020年日本工業(yè)技術(shù)展望報(bào)告》，旨在重新評(píng)估日本技術(shù)創(chuàng)新停滯的基本問(wèn)題，并提出2050年前重要技術(shù)的研發(fā)方向。該報(bào)告指出，一方面，日本需要進(jìn)一步提升創(chuàng)新水平，向資源循環(huán)型經(jīng)濟(jì)過(guò)渡，解決災(zāi)害、傳染病等社會(huì)問(wèn)題并增強(qiáng)工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力；另一方面，近年來(lái)日本技術(shù)創(chuàng)新狀況并不理想，此次新冠肺炎疫情引起的危機(jī)也凸顯出超智能社會(huì)（社會(huì)5.0）準(zhǔn)備的不足。為實(shí)現(xiàn)社會(huì)5.0，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省認(rèn)為應(yīng)將一定資源集中于作為所有領(lǐng)域基礎(chǔ)的材料技術(shù)領(lǐng)域。

2020年7月，英國(guó)商業(yè)、能源與產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略部正式啟動(dòng)“可持續(xù)復(fù)合材料計(jì)劃”（Sustainable Composites），著眼于復(fù)合材料的全生命周期，確保其滿足未來(lái)飛機(jī)、汽車與風(fēng)電渦輪機(jī)等領(lǐng)域的發(fā)展需要。該計(jì)劃將利用英國(guó)領(lǐng)先的復(fù)合材料領(lǐng)域的研究成果和技術(shù)開發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料回收再利用行業(yè)的快速發(fā)展，使英國(guó)在這一總價(jià)值超過(guò)20億英鎊的市場(chǎng)中取得優(yōu)勢(shì)。具體而言，該計(jì)劃一方面將致力于加快英國(guó)創(chuàng)新復(fù)合材料回收技術(shù)的開發(fā)，解決當(dāng)前復(fù)合材料回收再利用難題；另一方面將利用蔬菜廢料、堅(jiān)果殼和藻類等生物基材料，制成新型可持續(xù)發(fā)展的復(fù)合材料。

（3）對(duì)中國(guó)的影響與啟示

新材料是社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，更是保障國(guó)家科技安全的關(guān)鍵所在，其發(fā)展水平對(duì)一個(gè)國(guó)家而言意義重大。然而，中國(guó)關(guān)鍵基礎(chǔ)材料受制于人的狀況尚未得到徹底改善，“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)依然突出。究其原因，主要在于中國(guó)新材料技術(shù)領(lǐng)域中存在創(chuàng)新機(jī)制不合理、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化機(jī)制不完善、工程化周期長(zhǎng)等問(wèn)題。對(duì)此，中國(guó)應(yīng)積極探索新材料的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新模式，借鑒其他國(guó)家和地區(qū)在新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新機(jī)制、投資結(jié)構(gòu)及模式、利益分享機(jī)制等方面的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)要充分結(jié)合國(guó)內(nèi)具體現(xiàn)狀，加速建設(shè)具有中國(guó)特色的新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新范式。

此外，新材料種類繁雜、涉及面極廣且各細(xì)分新材料領(lǐng)域的發(fā)展階段、社會(huì)價(jià)值也各不相同，因此在創(chuàng)新模式的探索上也要“因材施策”。對(duì)于鋼鐵、有色、陶瓷、化工和建材等基礎(chǔ)性、技術(shù)成熟度較高的材料，應(yīng)充分發(fā)揮市場(chǎng)作用，采取產(chǎn)學(xué)研合作型、企業(yè)聯(lián)盟型模式，推動(dòng)建立以應(yīng)用企業(yè)投入為主的研發(fā)機(jī)制，圍繞實(shí)際需求開展創(chuàng)新活動(dòng)；對(duì)于特種合金、特種橡膠、碳纖維、半導(dǎo)體材料和特種玻璃等投入較大、回報(bào)期較長(zhǎng)的戰(zhàn)略性材料，通過(guò)政府采購(gòu)、軍方采購(gòu)等形式，整合政府、軍方、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)資源，構(gòu)建高效的產(chǎn)用結(jié)合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)研發(fā)制造與產(chǎn)品應(yīng)用的反復(fù)迭代，破解“有材不敢用”的難題；對(duì)于石墨烯、納米材料和智能材料等前沿性材料，應(yīng)強(qiáng)化高校院所的主體作用，發(fā)揮政府的引導(dǎo)作用，通過(guò)搭建平臺(tái)，吸引更多的社會(huì)力量參與技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化。

（二）美歐韓高度關(guān)注原材料供應(yīng)鏈安全問(wèn)題

新材料在高技術(shù)發(fā)展中具有支撐性、引領(lǐng)性和顛覆性作用，在發(fā)展光電信息、新能源、生物醫(yī)療和節(jié)能環(huán)保等技術(shù)上具有至關(guān)重要的作用，是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈中的關(guān)鍵一環(huán)。2019年以來(lái)，逆全球化浪潮、日韓半導(dǎo)體貿(mào)易摩擦及新冠肺炎疫情等事件相繼爆發(fā)，給全球高技術(shù)產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈帶來(lái)巨大壓力。在此背景下，歐、美、韓等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體日益重視上游原材料的供應(yīng)安全問(wèn)題，開始致力于將關(guān)鍵材料的供應(yīng)分散化、本土化，以避免本國(guó)技術(shù)產(chǎn)業(yè)受制于人，甚至受到毀滅性打擊。

（1）美國(guó)開展關(guān)鍵材料加工技術(shù)創(chuàng)新研究，以降低稀土材料對(duì)外依賴

2020年4月，美國(guó)能源部宣布提供1800萬(wàn)美元的基礎(chǔ)研究資助，旨在推動(dòng)關(guān)鍵礦物和稀土元素供應(yīng)鏈的研究與開發(fā)，保障美國(guó)能源和國(guó)家安全。該研究將尋求根本性突破方法，提高對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要的稀土元素的可獲得性或減少其使用量，確保稀土元素及其有效替代品的持續(xù)供應(yīng)。該研究關(guān)注方向包括以下3點(diǎn)：一是開展稀土物理與化學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，了解稀土元素及其電子結(jié)構(gòu)在決定材料和分子的物理與化學(xué)性質(zhì)中的作用，加速材料和分子設(shè)計(jì)及發(fā)現(xiàn)；二是通過(guò)假設(shè)驅(qū)動(dòng)研究，開發(fā)新的設(shè)計(jì)和合成方法，以改進(jìn)功能，減少或消除稀土元素的使用；三是利用新的分離原理與方法提高從復(fù)雜混合物（如礦石加工、礦山尾礦或再生材料）中提取稀土的效率。

2020年5月，美國(guó)能源部宣布向關(guān)鍵礦物與稀土研究領(lǐng)域增投3000萬(wàn)美元，重點(diǎn)資助下一代關(guān)鍵材料的提取、分離和處理技術(shù)創(chuàng)新，旨在促進(jìn)關(guān)鍵礦物和稀土元素供應(yīng)鏈研發(fā)，降低美國(guó)關(guān)鍵原材料供應(yīng)鏈中斷的風(fēng)險(xiǎn)。美國(guó)能源部希望通過(guò)該投資推進(jìn)關(guān)鍵原材料供應(yīng)鏈的研究、開發(fā)和部署，以增強(qiáng)美國(guó)的國(guó)防工業(yè)基礎(chǔ)。

（2）歐盟反思關(guān)鍵原材料供應(yīng)問(wèn)題，對(duì)關(guān)鍵原材料短缺發(fā)出警報(bào)

2020年9月，歐盟委員會(huì)修訂了關(guān)鍵原材料清單（List of CRMs），將稀土等30種具有重大經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略價(jià)值的原材料納入清單，同時(shí)公布行動(dòng)計(jì)劃，力求擴(kuò)大供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)，減少對(duì)第三國(guó)的依賴。鑒于關(guān)鍵礦產(chǎn)對(duì)于歐盟制造業(yè)的戰(zhàn)略重要性，歐盟于2008年就啟動(dòng)了《原材料倡議》（The Raw Materials Initiative），關(guān)鍵原材料清單制定就是該倡議的一項(xiàng)重要成果。自2011年起，歐盟每3年更新一次關(guān)鍵原材料清單。與2017年9月更新的名單（共計(jì)27種原材料）相比，此次更新的名單移除了氦，保留了其余26種原材料，新增了鋰、鍶、鈦、鋁土礦4種原材料。

歐盟委員會(huì)警告稱，歐盟成員國(guó)過(guò)度依賴關(guān)鍵原材料進(jìn)口，如中國(guó)承擔(dān)了歐盟98%的稀土供應(yīng)，土耳其承擔(dān)了98%的硼酸鹽供應(yīng)，南非承擔(dān)了71%的鉑供應(yīng)及比例更高的鉑族金屬供應(yīng)。過(guò)度依賴原材料進(jìn)口有可能威脅到歐盟航空、汽車和新能源等關(guān)鍵行業(yè)，并使歐盟面臨資源豐富國(guó)家供應(yīng)鏈緊縮的威脅。此外，歐盟委員會(huì)提醒，用于制造電池和可再生能源設(shè)備的原材料短缺，有可能威脅歐盟到2050年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的政治目標(biāo)。

為擴(kuò)大供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)，歐盟委員會(huì)同時(shí)發(fā)布《提升關(guān)鍵原材料彈性：尋求安全可持續(xù)的供給之路》（Critical Raw Materials Resilience: Charting a Path Towards GreaterSecurity and Sustainability）報(bào)告，擬采取10項(xiàng)具體措施，包括組建“原材料聯(lián)盟”（European Raw Materials Alliance）。該聯(lián)盟的初步目標(biāo)是為了增強(qiáng)歐盟在稀土和磁鐵供應(yīng)鏈中的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，未來(lái)還將擴(kuò)展到其他原材料領(lǐng)域。此外，歐盟還計(jì)劃發(fā)展國(guó)際戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，擬于2021年與加拿大、非洲相關(guān)國(guó)家展開合作，促進(jìn)當(dāng)?shù)夭傻V業(yè)可持續(xù)發(fā)展并承擔(dān)社會(huì)責(zé)任，滿足歐盟對(duì)關(guān)鍵原材料的需求。

（3）韓國(guó)發(fā)布材料、零組件和設(shè)備2.0戰(zhàn)略，以削弱對(duì)日依賴

2020年7月，韓國(guó)政府發(fā)布“材料、零組件和設(shè)備2.0”（Materials，Parts andEquipment 2.0）戰(zhàn)略，大幅擴(kuò)充戰(zhàn)略產(chǎn)品的供應(yīng)鏈管理名錄，促進(jìn)“制造業(yè)回流”，意圖打造零部件產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)和尖端產(chǎn)業(yè)世界工廠。為此，韓國(guó)政府計(jì)劃在2022年前投資5萬(wàn)億韓元，其中包括在2021年先對(duì)半導(dǎo)體、生物和未來(lái)汽車三大產(chǎn)業(yè)投入2萬(wàn)億韓元。同時(shí)，韓國(guó)政府還將選拔100家具有發(fā)展?jié)摿Φ暮诵膽?zhàn)略技術(shù)龍頭企業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)扶持，確保其具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。此外，韓國(guó)政府還將與多家企業(yè)、研究所簽署技術(shù)研發(fā)、招商引資的合作協(xié)議，助力新政策落地。

2019年，韓國(guó)政府為降低對(duì)日本進(jìn)口產(chǎn)品的依賴，在半導(dǎo)體、顯示器等六大領(lǐng)域選定100種關(guān)鍵戰(zhàn)略產(chǎn)品，希望通過(guò)進(jìn)口來(lái)源多元化、提高國(guó)產(chǎn)化程度等方式，確保其供應(yīng)鏈穩(wěn)定。根據(jù)“材料、零組件和設(shè)備2.0”戰(zhàn)略，韓國(guó)在此前基礎(chǔ)上，增加了與美國(guó)、歐洲、中國(guó)及印度等相關(guān)的戰(zhàn)略產(chǎn)品，總數(shù)增至338種，戰(zhàn)略產(chǎn)品的范疇也在此前的六大領(lǐng)域基礎(chǔ)上增加了生物、能源和機(jī)器人等新興產(chǎn)業(yè)。

（4）對(duì)中國(guó)的影響與啟示

新材料幾乎是所有高科技產(chǎn)業(yè)鏈的上游，新材料供應(yīng)被“卡”住就相當(dāng)于高科技產(chǎn)業(yè)從源頭上被“卡脖子”，后果不堪設(shè)想。新材料供應(yīng)問(wèn)題主要包括兩個(gè)方面：一是關(guān)鍵礦產(chǎn)供應(yīng)安全問(wèn)題，如鈷礦、稀土礦等戰(zhàn)略價(jià)值高的原材料對(duì)新能源汽車、電子信息等產(chǎn)業(yè)具有重要影響；二是高性能關(guān)鍵材料的供應(yīng)安全問(wèn)題，如半導(dǎo)體晶圓、高純靶材和碳纖維等涉及國(guó)計(jì)民生的關(guān)鍵材料，往往被國(guó)際上的少數(shù)科技巨頭把控。

近年來(lái)，美國(guó)對(duì)世界多國(guó)發(fā)起“貿(mào)易戰(zhàn)”，相繼在國(guó)際組織中“退群”，并在西方大肆渲染中國(guó)威脅論。在此背景下，中國(guó)關(guān)鍵原材料安全或?qū)⑹艿椒浅４蟮奶魬?zhàn)：一是中國(guó)獲取境外資源的外部風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，存在“源頭斷供”的風(fēng)險(xiǎn)；二是美歐等國(guó)家和地區(qū)尋求建立原材料產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，或給中國(guó)關(guān)鍵原材料進(jìn)出口帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)前，新一輪科技革命孕育興起，正催生全球范圍內(nèi)的新一輪產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。作為新一輪科技革命的動(dòng)力之源，關(guān)鍵礦產(chǎn)資源的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)將越發(fā)激烈，未來(lái)甚至可能會(huì)重塑國(guó)家的科技競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)此，中國(guó)應(yīng)從國(guó)家戰(zhàn)略層面高度重視關(guān)鍵礦產(chǎn)安全問(wèn)題，推動(dòng)關(guān)鍵礦產(chǎn)資源安全與管理研究，從加強(qiáng)礦產(chǎn)資源勘探、提升循環(huán)利用率、參與全球礦產(chǎn)資源治理等環(huán)節(jié)，切實(shí)保障中國(guó)未來(lái)關(guān)鍵礦產(chǎn)資源的安全。

（三）先進(jìn)信息材料研發(fā)進(jìn)展迅猛，高功率與高效率成為發(fā)展重點(diǎn)

縱觀全球，信息產(chǎn)業(yè)已成為世界科技強(qiáng)國(guó)最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一。近年來(lái)，人工智能、量子信息及大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)快速發(fā)展，不斷引領(lǐng)著新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。2020年，在市場(chǎng)的強(qiáng)勁需求和科技政策的強(qiáng)力推動(dòng)下，先進(jìn)信息材料不斷涌現(xiàn)，為人工智能、量子信息和大數(shù)據(jù)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

（1）發(fā)達(dá)國(guó)家研制出新型高功率電子器件，推動(dòng)信息技術(shù)快速發(fā)展

2020年3月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院功率和寬帶間隙電子研究實(shí)驗(yàn)室研制出一種由間距20納米的雙金屬片組成的高功率太赫茲器件。當(dāng)施加10～100伏電壓時(shí)，該器件能夠在皮秒內(nèi)激發(fā)高強(qiáng)度“電火花”（等離子體），從而產(chǎn)生高功率、高強(qiáng)度的太赫茲電磁波。該技術(shù)結(jié)合了納米制造技術(shù)和等離子體技術(shù)，成功解決了傳統(tǒng)器件無(wú)法同時(shí)兼顧高功率和納米尺寸的問(wèn)題。新型器件具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低和易于制造等優(yōu)勢(shì)，未來(lái)有望廣泛應(yīng)用于安防、醫(yī)療和通信等領(lǐng)域。

2020年5月，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（United States Naval ResearchLaboratory，NRL）研發(fā)出一款名為“諧振隧穿二極管”的新型氮化鎵基電子器件。氮化鎵基“諧振隧穿二極管”比傳統(tǒng)材料“諧振隧穿二極管”的頻率和輸出功率都高，其速率快慢的關(guān)鍵在于采用了氮化鎵材料。新型器件利用量子隧穿效應(yīng)，使電子以極快的速度傳輸。在隧穿過(guò)程中，電子會(huì)穿過(guò)物理壁壘，從而產(chǎn)生電流。此外，氮化鎵基“諧振隧穿二極管”打破了傳統(tǒng)器件的電流輸出與開關(guān)速率紀(jì)錄，能使應(yīng)用程序獲取毫米波范圍內(nèi)的電磁波及太赫茲頻率。目前，研究團(tuán)隊(duì)與俄亥俄州立大學(xué)、懷特州立大學(xué)（Wright State University）聯(lián)合致力于繼續(xù)改進(jìn)“諧振隧穿二極管”設(shè)計(jì)，使其在不增加電能損耗的同時(shí)繼續(xù)提升電流傳輸速率。

（2）新型半導(dǎo)體材料及器件研發(fā)取得突破性進(jìn)展

2020年5月，北京大學(xué)制備出高密度高純半導(dǎo)體陣列碳納米管材料，并在此基礎(chǔ)上首次實(shí)現(xiàn)了性能超越同等柵長(zhǎng)硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)的晶體管和電路，展現(xiàn)出碳管電子學(xué)的優(yōu)勢(shì)。碳納米管集成電路批量化制備的前提是實(shí)現(xiàn)超高半導(dǎo)體純度、順排、高密度及大面積均勻的碳納米管陣列薄膜。長(zhǎng)期以來(lái)，材料問(wèn)題的制約導(dǎo)致碳管晶體管和集成電路的實(shí)際性能遠(yuǎn)低于理論預(yù)期，甚至落后于相同節(jié)點(diǎn)的硅基技術(shù)至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，是碳管電子學(xué)領(lǐng)域面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)。該項(xiàng)工作突破了長(zhǎng)期以來(lái)阻礙碳管電子學(xué)發(fā)展的瓶頸，首次在實(shí)驗(yàn)上顯示出碳管器件和集成電路較傳統(tǒng)技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)，為推進(jìn)碳基集成電路的實(shí)用化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2020年6月，俄羅斯圣彼得堡國(guó)立信息技術(shù)、機(jī)械學(xué)與光學(xué)研究型大學(xué)宣布開發(fā)出世界上最緊湊的綠光半導(dǎo)體激光器。該半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的綠色相干激光可以很容易地被追蹤到，甚至在光學(xué)顯微鏡下用肉眼就能夠觀測(cè)到。新型半導(dǎo)體激光器具有納米粒子的尺寸，僅為310納米。此外，該激光器納米粒子的新穎設(shè)計(jì)還可有效囚禁受激發(fā)射的能量，從而為產(chǎn)生激光提供足夠高的電磁場(chǎng)放大率。該項(xiàng)研究對(duì)構(gòu)造光芯片、微傳感器和其他使用光作為信息傳輸和處理媒介的器件領(lǐng)域的發(fā)展具有積極推動(dòng)作用。

（3）對(duì)中國(guó)的影響與啟示

近年來(lái)，量子材料、二維材料及半導(dǎo)體材料等先進(jìn)信息材料技術(shù)的突破使信息技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了飛躍階段。這些材料的應(yīng)用將顛覆未來(lái)的信息技術(shù)和器件，如量子計(jì)算機(jī)、微納型芯片、超級(jí)存儲(chǔ)器及新型圖像傳感器等，在新能源、信息、生物醫(yī)療、人工智能和航空航天等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。中國(guó)信息材料雖然占領(lǐng)了中低端領(lǐng)域市場(chǎng)，但在高端領(lǐng)域依然無(wú)法與美日等發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)此，中國(guó)應(yīng)從三個(gè)方面采取措施：一是加大對(duì)高校、科研院所、企業(yè)及公共平臺(tái)的引導(dǎo)和支持，不斷積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，夯實(shí)基礎(chǔ)；二是提高自主創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，如突破高端芯片制造技術(shù)，打破西方的壟斷和封鎖；三是加大基礎(chǔ)研究，開發(fā)各種顛覆性應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化突破。

（四）顛覆性新材料技術(shù)不斷涌現(xiàn)，帶來(lái)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)新變革

新材料技術(shù)的發(fā)展與基礎(chǔ)科學(xué)理論的突破息息相關(guān)。近年來(lái)，人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)及凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的發(fā)展，使得許多顛覆性新材料技術(shù)不斷涌現(xiàn)，未來(lái)有望帶來(lái)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的新變革。2020年，顛覆性新材料技術(shù)主要進(jìn)展如下。

（1）機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)推動(dòng)新材料研發(fā)新變革

2020年3月，美國(guó)能源部勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種預(yù)測(cè)材料性能的新方法。該方法旨在利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)加速?gòu)男虏牧习l(fā)現(xiàn)到大規(guī)模部署的過(guò)程，減少了測(cè)試和評(píng)估候選材料性能的工作量，大幅減少了材料部署的時(shí)間。以三氨基三硝基苯（TATB）為例，該材料是一種鈍感高能炸藥，合成反應(yīng)條件的微小變化就可能引起較大的性能變化。因此，測(cè)試和評(píng)估TATB材料的性能需要做大量的工作。新方法利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可對(duì)TATB原材料粉末的掃描電子顯微鏡圖像進(jìn)行分析，從而避免繁多的物理測(cè)試。研究結(jié)果表明，與專家評(píng)估和儀器分析等常規(guī)方法相比，新方法可以減少約24%的預(yù)測(cè)誤差。

2020年9月，日本國(guó)立材料科學(xué)研究所（National Institute for MaterialsScience，NIMS）研發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)工藝，可以制備具有特定及所需機(jī)械性能的鋁合金。鋁合金是一種輕質(zhì)節(jié)能材料，主要由鋁制成，同時(shí)也含有鎂、錳、硅、鋅和銅等其他元素。各種元素和制造工藝的組合意味著鋁合金面對(duì)各種應(yīng)力時(shí)的彈性不同。然而，在生產(chǎn)鋁合金時(shí)需要驗(yàn)證各種元素與制造工藝的組合，這一過(guò)程非常耗時(shí)且成本昂貴。為解決該問(wèn)題，研究人員將已知的鋁合金數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)輸入到機(jī)器學(xué)習(xí)模型中，從而訓(xùn)練模型理解合金不同機(jī)械性能與不同組成元素之間的關(guān)系，以及與生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用的熱處理類型之間的關(guān)系。一旦具有足夠的數(shù)據(jù)，該模型就可以預(yù)測(cè)生產(chǎn)具有特定機(jī)械性能的新合金需要何種元素和生產(chǎn)工藝，而且所有上述工作都無(wú)須人工監(jiān)督。新工藝有助于加快鋁合金等新材料的研發(fā)速率。

（2）前沿新材料技術(shù)不斷取得突破

超材料方面，2020年11月，中國(guó)香港城市大學(xué)研究人員采用真空液體填充技術(shù)在聚合物薄殼中注入液態(tài)金屬鎵（Ga），首次制備了液態(tài)金屬聚合物核殼結(jié)構(gòu)的微點(diǎn)陣力學(xué)超材料。目前的金屬微點(diǎn)陣力學(xué)超材料具有超輕、高比強(qiáng)度等特性，在無(wú)人機(jī)機(jī)翼、小微型電子器械等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。但是，這類超材料的韌性較差，在服役過(guò)程中容易脆斷失效。中國(guó)香港城市大學(xué)研發(fā)的新型超材料不僅具有良好的韌性，而且充分利用低溫度范圍下液態(tài)金屬的特性，實(shí)現(xiàn)了類似科幻電影中復(fù)雜形態(tài)液態(tài)金屬的自我修復(fù)功能，在生物醫(yī)療器械、微電子器件及微型機(jī)器人等領(lǐng)域有巨大應(yīng)用潛力。

二維材料方面，2020年9月，受美國(guó)DARPA和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（Air ForceResearch Laboratory，AFRL）等資助，斯坦福大學(xué)研究人員利用二維材料制備出超薄異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能。研究人員以二氧化硅/硅為襯底，先后沉積原子層厚度的單層二硒化鎢、二硫化鉬、二硒化鉬和石墨烯，形成多層超薄異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)向石墨烯層施加電壓，加熱異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并用拉曼光譜測(cè)量每層材料的溫度。測(cè)試結(jié)果顯示，該二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率與290～360納米厚的二氧化硅相當(dāng)。該項(xiàng)研究將促進(jìn)二維材料在熱電器件領(lǐng)域的應(yīng)用。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)也有望用作電子器件的超輕隔熱罩。

（3）對(duì)中國(guó)的影響與啟示

近年來(lái)，全球前沿新材料研究熱度持續(xù)上升，新材料開始實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)支撐到前沿顛覆的跨越。一些對(duì)未來(lái)具有顛覆意義的前沿新材料，如石墨烯、量子點(diǎn)、超材料、仿生智能材料、超導(dǎo)材料、柔性材料及光催化材料等不斷得到開發(fā)和應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也在加速。美、日、韓等科技強(qiáng)國(guó)為搶占新一輪工業(yè)革命制高點(diǎn)，紛紛制訂了相應(yīng)的發(fā)展計(jì)劃和預(yù)期目標(biāo)，并實(shí)施相應(yīng)策略，推進(jìn)前沿新材料跨越式發(fā)展。中國(guó)前沿新材料的發(fā)展基本與世界同步，特別是近年來(lái)中國(guó)在引領(lǐng)支持、研發(fā)投入、人力資源配置及創(chuàng)新體制改革等方面不斷加大力度，前沿新材料發(fā)展非常迅猛，某些領(lǐng)域已躋身全球強(qiáng)國(guó)之列。

但同先進(jìn)國(guó)家相比，中國(guó)前沿新材料在自主創(chuàng)新、新產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用、研究范式變革和高端產(chǎn)業(yè)化等方面還有一定差距。對(duì)此，中國(guó)應(yīng)對(duì)全球前沿材料發(fā)展態(tài)勢(shì)有更充分的認(rèn)識(shí)和把握，并重點(diǎn)在以下四個(gè)方面實(shí)現(xiàn)標(biāo)志性突破：一是加強(qiáng)材料科技前沿性基礎(chǔ)研究，國(guó)家在前沿基礎(chǔ)研究方面應(yīng)發(fā)揮引領(lǐng)、支持和協(xié)調(diào)的重要作用，應(yīng)確定部門職責(zé)，推進(jìn)跨部門跨領(lǐng)域全面合作，保證研究規(guī)范有序及高效地運(yùn)作，取得高質(zhì)量、高水平、強(qiáng)時(shí)效性的研究成果；二是加強(qiáng)創(chuàng)新體系建設(shè)，強(qiáng)化戰(zhàn)略部署和戰(zhàn)略管理，充分做好新材料研發(fā)的頂層設(shè)計(jì)，培養(yǎng)和打造一批具有國(guó)際先進(jìn)水平的研究機(jī)構(gòu)或高新企業(yè)，組合人才、資源和研發(fā)基礎(chǔ)等優(yōu)勢(shì)，努力實(shí)現(xiàn)一批前沿性新興技術(shù)的突破；三是完善產(chǎn)學(xué)研機(jī)制，采取政策導(dǎo)向和財(cái)經(jīng)支持，加速新材料研究成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化；四是提高自主創(chuàng)新能力，推進(jìn)研究范式變革。

二、高性能結(jié)構(gòu)材料

高性能結(jié)構(gòu)材料是指具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐磨損及抗腐蝕等特殊性能的材料，是支撐航空航天、交通運(yùn)輸、能源動(dòng)力及國(guó)家重大基礎(chǔ)工程建設(shè)等領(lǐng)域的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來(lái)，高性能結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展趨勢(shì)主要有三點(diǎn)：一是輕量化，這與全球低碳、可持續(xù)發(fā)展思潮同步；二是結(jié)構(gòu)功能一體化，如具備一定的抗氧化、抗腐蝕和抗輻照等性能；三是高性能化，如具備高強(qiáng)度、高韌性。

（一）金屬結(jié)構(gòu)材料

金屬結(jié)構(gòu)材料是指與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比具備更高的耐高溫性、抗腐蝕性和高延展性等特性的新型材料，主要包括鈦、鎂、鋯及其合金，鉭鈮，硬質(zhì)材料等，以及高端特殊鋼、新型鋁材等。2020年，高性能金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域取得以下幾個(gè)方面的進(jìn)展。

（1）鋁合金研究取得多項(xiàng)突破

2020年2月，美國(guó)電動(dòng)車制造商特斯拉（Tesla）研發(fā)出一種新型鋁合金，解決了傳統(tǒng)鋁合金強(qiáng)度與導(dǎo)電性不能兼?zhèn)涞碾y題。商用鑄造鋁合金可分為兩類，一類具有高強(qiáng)度，另一類具有高導(dǎo)電性。對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)景，如電動(dòng)汽車內(nèi)部的部件，要求同時(shí)具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性。此外，由于需要通過(guò)鑄造工藝制備這些電動(dòng)汽車部件，因此不能使用鍛造合金。此次特斯拉借鑒火箭用材的靈感，研發(fā)出的壓鑄電動(dòng)汽車零部件新型鋁合金，屈服強(qiáng)度可達(dá)90～150兆帕，導(dǎo)電性可以達(dá)到40% IACS（國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)）至60% IACS，兼具高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性。從Model S和Model X車身上采用的大量鋁材可以看出，新鋁合金材料未來(lái)或可應(yīng)用到特斯拉旗下產(chǎn)品中。

2020年10月，澳大利亞莫納什大學(xué)（Monash University）提出一種改進(jìn)鋁合金疲勞強(qiáng)度的組織設(shè)計(jì)新概念——“疲勞失效”法，即通過(guò)修改鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)使其能自行修復(fù)弱點(diǎn)。研究人員稱，高強(qiáng)度鋁合金疲勞性能差的原因是存在“無(wú)沉淀區(qū)”薄弱環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)中交變應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料微塑化或局部塑化。而塑化會(huì)催生疲勞裂紋，這些裂紋逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料斷裂。研究人員使用商用鋁合金，利用在疲勞早期循環(huán)中注入材料的機(jī)械能來(lái)修復(fù)“無(wú)沉淀區(qū)”中的弱點(diǎn)，極大地延遲了疲勞裂紋的產(chǎn)生，使得高強(qiáng)度鋁合金的疲勞壽命提高了25倍。

（2）美印共同開發(fā)高性能鎂合金，可替代鋼和鋁合金用作汽車、航空零部件

2020年6月，印度理工學(xué)院馬德拉斯分校（Indian Institute of TechnologyMadras）、美國(guó)北得克薩斯大學(xué)（University of North Texas）和美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用一種含有釓、釔和鋯等稀土元素的鎂合金，經(jīng)過(guò)熱機(jī)械加工技術(shù)（嚴(yán)重塑性變形和老化處理），共同開發(fā)出一種工程鎂合金。該合金強(qiáng)度高、延展性好，可在較高的應(yīng)變速率下實(shí)現(xiàn)超塑性，從總體上減少制造時(shí)間、精力和成本。同時(shí)，此類合金具有較好的輕量化特性，有助于汽車減重從而降低碳排放量。研究人員表示，作為最輕的節(jié)能型結(jié)構(gòu)材料，鎂合金具有強(qiáng)大的潛力，可取代鋼和鋁合金，用于制造汽車和航空航天零部件。

（3）中美研究人員合作研發(fā)“超級(jí)鋼”，可用于制造輕型汽車和軍用車輛等

2020年6月，中國(guó)香港大學(xué)（University of Hong Kong，HKU）和美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Lab，LBNL）的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)增加材料屈服強(qiáng)度，突破了超高強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度-韌性組合極限，成功研制出具備極高的屈服強(qiáng)度、極佳韌性和良好延展性的“超級(jí)鋼”。“超級(jí)鋼”比目前航空航天用的馬氏體鋼效能更高，而成本卻只有其1/5。此外，研究人員還在“超級(jí)鋼”的結(jié)構(gòu)方面取得了重大發(fā)現(xiàn)?！俺?jí)鋼”通過(guò)一種新型“高強(qiáng)度誘導(dǎo)多層分層”增韌機(jī)制，具備了一種獨(dú)特的抗斷裂性特征，其中主斷裂表面下形成了多個(gè)微裂紋，而微裂紋能夠有效吸收來(lái)自外部作用力的能量，使“超級(jí)鋼”的韌性高于現(xiàn)有鋼材。該研究成果為實(shí)現(xiàn)“超級(jí)鋼”的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，未來(lái)有望應(yīng)用于制造高級(jí)防彈衣、高強(qiáng)橋梁纜索以及航空航天領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域的高強(qiáng)螺栓和螺母。

（4）美國(guó)利用形狀記憶合金打造火星車車輪

2020年5月，NASA格倫研究中心稱正在開發(fā)一種新型形狀記憶合金（SMA）輪胎，可滿足未來(lái)火星巡視器探索火星表面復(fù)雜地形的需求。該形狀記憶輪胎由網(wǎng)狀織物金屬制成，能夠“記住”自己最理想的形狀，可在火星惡劣的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可逆的材料變形，同時(shí)又不犧牲性能。測(cè)試結(jié)果表明，SMA輪胎的優(yōu)越抓地力滿足或超過(guò)所有牽引性能的要求，并將賦予巡視器驅(qū)動(dòng)能力，以跨越不同的地形。未來(lái)，研究人員將繼續(xù)推進(jìn)SMA技術(shù)的成熟以使其應(yīng)用于火星車車輪上。

（5）中國(guó)研究人員研發(fā)出一種前所未有的輕質(zhì)量液態(tài)金屬材料

2020年2月，中國(guó)清華大學(xué)研究人員在全球范圍內(nèi)首次提出“輕質(zhì)液態(tài)金屬”概念，并發(fā)明了一種前所未有的輕質(zhì)量液態(tài)金屬材料。該材料可塑性強(qiáng)、無(wú)害（良好的生物安全性）且密度輕，在溫度調(diào)節(jié)下能保持良好的材料一致性和導(dǎo)電性，并可在完全柔軟和堅(jiān)硬的狀態(tài)之間自由切換，將液態(tài)金屬的特性發(fā)揮到極致。液態(tài)金屬是金屬材料中的新貴，有可能逐漸替代現(xiàn)有的材料，制造出突破性產(chǎn)品，將成為繼工程塑料、輕合金之后的第三代新材料，未來(lái)可廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、鋰電池、3D打印、柔性智能機(jī)器和血管機(jī)器人等領(lǐng)域。

（二）無(wú)機(jī)非金屬材料

無(wú)機(jī)非金屬材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物，以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料，常見(jiàn)種類包括二氧化硅氣凝膠、水泥、玻璃和陶瓷等。無(wú)機(jī)非金屬材料是現(xiàn)代材料當(dāng)中必不可少的，尤其在現(xiàn)代建筑中具有不可忽視的地位。2020年，無(wú)機(jī)非金屬材料領(lǐng)域取得以下幾個(gè)方面的進(jìn)展。

（1）超輕、超薄、超硬玻璃的問(wèn)世促進(jìn)可折疊設(shè)備的發(fā)展

2020年1月，美國(guó)創(chuàng)新公司Akhan Semiconductor利用金剛石的堅(jiān)硬特性研發(fā)出一款名為Miraj的金剛石玻璃，能為可折疊設(shè)備制造超輕、超薄、超硬的屏幕。該玻璃由納米金剛石晶體材料涂裝到玻璃上制成，既可以被噴涂在塑料（聚合物）片上，也可以被噴涂在沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的柔性玻璃上，且不會(huì)影響玻璃的可折疊性。此外，金剛石玻璃還具有防水疏油屬性及良好的散熱性，可以讓手機(jī)保持較低的溫度，從而延長(zhǎng)智能手機(jī)電池和組件的使用壽命。Akhan Semiconductor公司表示，在智能折疊屏手機(jī)上使用金剛石玻璃還有很長(zhǎng)的路要走，Miraj玻璃要到下一代柔性玻璃問(wèn)世之后才會(huì)有發(fā)揮的空間。

2020年7月，日本電氣硝子株式會(huì)社（Nippon Electric Glass，NEG）成功研發(fā)出一款名為Dinorex UTGTM的化學(xué)強(qiáng)化專用玻璃。該款玻璃厚度僅為25微米（目前全球最薄的玻璃），表面平滑、厚度均勻，具有易彎曲的特性。Dinorex UTGTM玻璃彎曲半徑可達(dá)1.5毫米，可用于制造折疊顯示屏。長(zhǎng)期以來(lái)，在生產(chǎn)較薄的化學(xué)強(qiáng)化玻璃時(shí)，需要對(duì)原始厚玻璃板進(jìn)行薄化處理，而Dinorex UTGTM在玻璃成型工藝中直接生產(chǎn)出較薄的玻璃板，省去了薄化處理環(huán)節(jié)，達(dá)到減少有害物質(zhì)使用量、削減成本的效果。

（2）美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)開發(fā)出可在火星大氣中漂浮的輕薄納米氧化鋁板

2020年4月，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研究人員開發(fā)出可在火星稀薄大氣中漂浮的輕薄氧化鋁板。該氧化鋁板內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，大量微小的縫隙孔洞分布其中，這些孔洞能夠防止裂紋蔓延，從而提升氧化鋁板強(qiáng)度。當(dāng)暴露在強(qiáng)光下時(shí)，氧化鋁板被加熱的頂部可與底部形成溫差，引導(dǎo)氣體從通道的開孔頂部吸入并從底部排出，形成類似氣墊的懸浮效果。每塊納米氧化鋁板的重量?jī)H與一只果蠅相當(dāng)，理論上可承載10倍于自重的有效載荷。研究人員正研究能夠安裝在飛板上的小型化學(xué)傳感器，進(jìn)一步提高其載重量。

（3）美國(guó)空軍開發(fā)出一種可用于制造高溫陶瓷部件的雜化納米材料

2020年8月，美國(guó)萊特·帕特森空軍基地（Wright-Patterson Air Force Base）開發(fā)出一種用于制造陶瓷基復(fù)合材料的陶瓷先驅(qū)體聚合物接枝納米顆粒（或稱毛狀納米顆粒）。該顆粒是一種混雜材料，由固體納米顆粒內(nèi)核和圍繞在其周圍像毛發(fā)一樣的聚合物外殼組成，大小相當(dāng)于一個(gè)小型病毒，可用于制備適用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和高超聲速飛行器高溫部件的高性能陶瓷纖維和復(fù)合材料。新材料采用了一種含硅無(wú)機(jī)聚合物，分子結(jié)構(gòu)類似于硅樹脂，但卻是由硅和碳原子構(gòu)成。當(dāng)高溫加熱時(shí)，這種聚合物中的硅和碳可產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成碳化硅陶瓷。以往即使采用最先進(jìn)的工藝，陶瓷也必須經(jīng)過(guò)6～10次循環(huán)滲透才能達(dá)到所需密度，而采用這種新型材料有望將滲透循環(huán)次數(shù)減少約一半，從而實(shí)現(xiàn)更快的生產(chǎn)速度和更低的生產(chǎn)成本。

（4）俄羅斯托木斯克理工大學(xué)開發(fā)出一種新工藝，可以在非真空環(huán)境下生產(chǎn)碳化鎢、碳化硼等超硬材料

2020年9月，俄羅斯托木斯克理工大學(xué)（Tomsk Polytechnic University，TPU）研究人員開發(fā)出一種新工藝，可以在非真空環(huán)境下生產(chǎn)碳化鎢、碳化鈦、碳化硅和碳化硼等超硬材料。新工藝為一種合成碳化鎢納米粉的電弧法，由于在電弧等離子體的產(chǎn)生中使用了特殊形狀的石墨電極，從而能夠在非真空情況下生成自發(fā)自絕緣氣態(tài)介質(zhì)，這極大地簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程，并降低了能源消耗。該技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以使用磨損的鉆頭、用過(guò)的刀具零件和其他含有碳化鎢的廢料作為合成原料。研究人員表示，目前在生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性上尚無(wú)同類的生產(chǎn)技術(shù)。未來(lái)，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)工藝，將該方法運(yùn)用到廢物處理方面。

（三）高分子材料

高分子材料是由相對(duì)分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠黏劑和高分子基復(fù)合材料。高分子材料因質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐溫和耐腐蝕等優(yōu)異的性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、醫(yī)療和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。2020年，高分子材料領(lǐng)域取得以下幾個(gè)方面的進(jìn)展.

（1）美國(guó)陸軍開發(fā)出先進(jìn)的雙聚合物3D打印材料

2020年2月，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室研究人員采用無(wú)模熱拉拔工藝研制出一種由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯與聚碳酸酯兩種不同的聚合物組成的雙聚合物長(zhǎng)絲。利用該種雙聚合物長(zhǎng)絲可在現(xiàn)有的低成本3D打印機(jī)上生產(chǎn)出適用于戰(zhàn)場(chǎng)使用的堅(jiān)固零部件，以便于士兵快速利用耐用的3D打印零部件替換損壞的塑料零部件。此外，因材料和工藝問(wèn)題，當(dāng)前普遍使用的3D打印會(huì)出現(xiàn)零部件易碎、機(jī)械性能較差、退火過(guò)程中發(fā)生過(guò)度變形等問(wèn)題。但是，雙聚合物長(zhǎng)絲因含有兩種不同熔融溫度的聚合物，被用于打印出固體零部件后可放入烤箱烘烤以提升零部件的強(qiáng)度。

（2）德國(guó)研發(fā)出一種仿生纖維黏合材料，在保持黏合性的同時(shí)具有超疏液性

2020年4月，德國(guó)馬克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute，MPI）受壁虎啟發(fā)開發(fā)出一種彈性纖維膠黏劑。該膠黏劑結(jié)合了蘑菇狀纖維的強(qiáng)黏附性和纖維尖端雙凹角幾何形狀的疏水性，不僅對(duì)低表面張力液體表現(xiàn)出超強(qiáng)的疏液性，同時(shí)又保持了超強(qiáng)的黏合性能。研究人員表示，強(qiáng)疏液性使該纖維膠黏劑能夠有效地黏附到水、油或其他液體表面而不會(huì)損失黏合力，如攀爬機(jī)器人或可使用這種黏合材料來(lái)攀爬濕玻璃板。此外，該彈性纖維膠黏劑還具有高度可變形性和拉伸性，能夠抵抗較強(qiáng)程度的物理作用，大大擴(kuò)展了實(shí)際應(yīng)用范圍。

（3）中國(guó)研制出一種新型納米纖維素仿生結(jié)構(gòu)材料，綜合性能突出

2020年5月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究人員成功研制出一類天然納米纖維素仿生結(jié)構(gòu)材料，解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料難以兼具高強(qiáng)度與高韌性的問(wèn)題。該材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)韌的優(yōu)異性能，性能超越航空鋁合金和鋼，且密度僅為鋼的1/6、鋁合金的1/2。新材料的輕質(zhì)高強(qiáng)韌性主要來(lái)自材料微米級(jí)層狀結(jié)構(gòu)和納米三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。纖維素納米纖維內(nèi)部高度結(jié)晶可以提供極高的強(qiáng)度，纖維之間通過(guò)大量氫鍵等可逆相互作用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，在外力作用下這種高密度的可逆相互作用網(wǎng)絡(luò)可以迅速解離和重構(gòu)，吸收大量能量，使材料在具有高強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高韌性。此外，該材料還具有高尺寸穩(wěn)定性、抗熱震、抗沖擊及高損傷容限等多種優(yōu)異性能，在輕量化抗沖擊防護(hù)及緩沖材料、空間材料、精密儀器結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

（4）以色列開發(fā)出柔性高分子材料，有望用于制造機(jī)器人、假肢及可穿戴設(shè)備

2020年6月，以色列理工學(xué)院研究人員開發(fā)出一種柔性高分子材料。該材料在遭受刮擦、割傷或扭傷時(shí)能夠“自愈”，將其與傳感器相結(jié)合，有望獲得具有柔性和自我修復(fù)能力的電子皮膚，未來(lái)可用于制造機(jī)器人、假肢和可穿戴設(shè)備。在該項(xiàng)研究中，研究人員首先研發(fā)出柔性高分子材料和彈性體，該彈性體被拉伸至原長(zhǎng)度的11倍也不會(huì)斷裂。隨后研究人員利用彈性體開發(fā)電子皮膚，并將選擇性感應(yīng)、防水、自我監(jiān)控和自我修復(fù)等多種功能融入電子皮膚中。利用電子皮膚組成的傳感系統(tǒng)能夠監(jiān)控環(huán)境變量，如壓力、溫度和酸度。同時(shí)，該系統(tǒng)還包含能監(jiān)視系統(tǒng)電子部件損壞的類神經(jīng)元組件，以及讓受損部位加速自我修復(fù)過(guò)程的其他組件。

（5）韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院開發(fā)出高透高導(dǎo)塑料新材料

2020年6月，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院成功研制出適用于透明電極的高導(dǎo)電、高透明性高分子塑料新材料。當(dāng)前，透明電極中的導(dǎo)電高分子材料存在厚度增加不透明度也增加的問(wèn)題。此次研究人員開發(fā)出與傳統(tǒng)高分子材料具有不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的“自由基高分子”材料，由此制成的導(dǎo)電高分子膜厚度在1微米時(shí)透明度達(dá)96%，相比傳統(tǒng)的10%透明度提升了近10倍?！白杂苫叻肿印辈牧嫌型麘?yīng)用于未來(lái)新一代儲(chǔ)能材料、透明顯示材料、柔性電池和生物電化學(xué)等領(lǐng)域。

（6）日本三菱化學(xué)研發(fā)出可在海水中降解的塑料袋

2020年8月，日本三菱化學(xué)（Mitsubishi Chemical Holdings）研發(fā)出可在海水中降解的塑料袋。新塑料袋是根據(jù)微生物分解土壤中垃圾的相同機(jī)理研發(fā)，采用甘蔗等植物性成分制成，僅需1年左右的時(shí)間即可被海水完全分解，而普通塑料袋的自然分解通常需20～1000年不等。三菱化學(xué)希望通過(guò)推廣使用這種塑料袋來(lái)幫助解決海洋塑料垃圾問(wèn)題。但是，由于制造技術(shù)尚未普及，該種塑料袋的價(jià)格是普通塑料袋的6倍以上。

（四）復(fù)合材料

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣及建筑等領(lǐng)域。隨著全球低碳經(jīng)濟(jì)、綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，復(fù)合材料呈現(xiàn)出低成本化、高性能化、可循環(huán)利用的發(fā)展趨勢(shì)。2020年，復(fù)合材料領(lǐng)域取得以下幾個(gè)方面的進(jìn)展。

（1）瑞典皇家理工學(xué)院開發(fā)出“變形”碳纖維復(fù)合材料

2020年5月，瑞典皇家理工學(xué)院（KTH Royal Institute of Technology，KTH）開發(fā)出一種由兩片摻雜鋰離子的碳纖維和一塊固體電解質(zhì)薄片組成的碳纖維復(fù)合材料。當(dāng)接入低壓直流電時(shí)，鋰離子會(huì)從碳纖維的一層遷移到另一層（通過(guò)電解液），從而使碳纖維的放電層收縮，充電層膨脹，因此整塊材料會(huì)向一側(cè)彎曲。即使電流被移除后，材料仍然保持這種形狀。但是，如果隨后接入反向電流，鋰離子就會(huì)向相反的方向遷移，且不同的電壓將決定復(fù)合材料是恢復(fù)到中性的平面形狀，還是向另一側(cè)彎曲。該復(fù)合材料質(zhì)量雖輕，但硬度高于鋁，進(jìn)一步開發(fā)后或可應(yīng)用于制造不需要副翼的變形飛機(jī)機(jī)翼，或是在不同風(fēng)速下改變形狀以實(shí)現(xiàn)最大效率的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。

（2）中美研發(fā)出高阻尼、高吸能與形狀記憶兼得的鎂基仿生復(fù)合材料

2020年5月，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所與美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、中國(guó)工程物理研究院展開合作，借鑒天然生物材料三維互穿微觀結(jié)構(gòu)的原理，將鎂熔融浸滲至增材制造的鎳鈦合金骨架，構(gòu)筑成輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高阻尼、高吸能鎂-鎳鈦仿生復(fù)合材料。微觀三維互穿仿生結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了鎳鈦增強(qiáng)相與鎂基體在性能優(yōu)勢(shì)上的互補(bǔ)與結(jié)合，而且賦予材料形狀記憶與自修復(fù)功能。新型仿生復(fù)合材料突破了強(qiáng)度和阻尼性能之間的相互制約關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了鎂合金的強(qiáng)度、阻尼和能量吸收效率等多種性能的良好結(jié)合，綜合性能優(yōu)于目前已知的工程材料，有望成為精密儀器、航空航天等領(lǐng)域的新型阻尼減震材料。

（3）荷蘭開發(fā)可用于航空航天結(jié)構(gòu)件損傷檢測(cè)的3D打印復(fù)合材料

2020年5月，荷蘭Brightlands材料中心開始研發(fā)具有自感知功能的3D打印復(fù)合材料，以用于監(jiān)控航空航天、建筑和醫(yī)療保健等領(lǐng)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)狀態(tài)。該材料是一種碳纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料，可根據(jù)連續(xù)纖維電阻感應(yīng)變化，提供自感應(yīng)功能。目前該材料還在研發(fā)過(guò)程中，研究人員將首先驗(yàn)證其在飛機(jī)和建筑領(lǐng)域提供結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）的可行性。同時(shí)，研究人員還在將連續(xù)碳纖維的自感知能力與增材制造技術(shù)相結(jié)合，擬使SHM應(yīng)用更具成本效益，從而能夠更廣泛地?cái)U(kuò)展到新應(yīng)用中。

（4）美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)研發(fā)出具有優(yōu)異輻射屏蔽性能的復(fù)合材料

2020年5月，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)（North Carolina State University，NCSU）的一項(xiàng)新研究表明，一種由嵌入三氧化二鉍顆粒的高分子化合物組成的復(fù)合材料具有巨大的潛力，可以替代傳統(tǒng)的輻射屏蔽材料，應(yīng)用于太空探索、醫(yī)學(xué)成像和放射治療等領(lǐng)域。鉛等傳統(tǒng)的輻射屏蔽材料通常價(jià)格昂貴、重量大且對(duì)人體健康和環(huán)境有害。在該項(xiàng)研究中，研究人員使用紫外線固化方法而非耗時(shí)的高溫固化法創(chuàng)建了高分子化合物樣品，其中三氧化二鉍含量高達(dá)44%。隨后，研究人員對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明該化合物重量輕、強(qiáng)度高，能有效屏蔽諸如伽馬射線等電離輻射，并且可以快速生產(chǎn)。

（5）瑞士研發(fā)出新型磁致感應(yīng)形狀記憶復(fù)合材料

2020年8月，瑞士保羅謝爾研究所（Paul Scherrer Institute，PSI）和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（Eidgen?ssische Technische Hochschule Zürich，ETHZ）合作研發(fā)出一種由磁流變液和聚二甲基硅氧烷（PDMS）組成的新型復(fù)合材料，該材料可以在磁場(chǎng)下表現(xiàn)出形狀記憶特性。研究人員利用水滴、甘油和羰基鐵顆粒組成磁流變液，以不同的體積分?jǐn)?shù)（10%和40%）分散在PDMS中制成軟磁性形狀記憶復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加體積分?jǐn)?shù)為40%的磁流變液使PDMS的儲(chǔ)能模量提高近30倍，無(wú)須加熱即可實(shí)現(xiàn)快速可逆的形狀記憶。該磁性形狀記憶復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、電子和機(jī)器人等領(lǐng)域有顯著的應(yīng)用潛力，如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行血栓微創(chuàng)手術(shù)時(shí)可改變導(dǎo)管的硬度，減輕副作用；在太空探索領(lǐng)域可作為自行充氣或折疊的輪胎安裝在探測(cè)漫游車上；在電子設(shè)備領(lǐng)域可用于制造柔性電源、數(shù)據(jù)電纜或可穿戴設(shè)備。

三、先進(jìn)功能材料

功能材料是指通過(guò)光、電、磁、熱、化學(xué)和生化等作用后具有特定功能的材料。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，功能材料成為新材料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展及國(guó)防建設(shè)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，推動(dòng)信息通信、能源、航空航天、生物醫(yī)療和國(guó)防等領(lǐng)域的發(fā)展。近年來(lái)，先進(jìn)信息材料、新能源材料、生物醫(yī)用材料和節(jié)能環(huán)保材料等先進(jìn)功能材料發(fā)展迅猛，前沿、顛覆性技術(shù)不斷涌現(xiàn)，給全球可持續(xù)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)升級(jí)與變革等帶來(lái)了深刻影響。

（一）先進(jìn)信息材料

先進(jìn)信息材料是為實(shí)現(xiàn)信息探測(cè)、傳輸、存儲(chǔ)、顯示和處理等功能使用的材料，是人類社會(huì)步入信息時(shí)代的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是科技創(chuàng)新和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的技術(shù)領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著人工智能、量子信息和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，新型信息器件不斷涌現(xiàn)，信息材料正加速向多功能化、薄膜化、高性能和低功耗方向發(fā)展。2020年，先進(jìn)信息材料領(lǐng)域取得以下幾個(gè)方面的進(jìn)展。

（1）美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)研制出超薄可拉伸電子材料，具有氣體滲透性

2020年5月，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)研制出一種超薄、可拉伸、可透氣的電子材料。研究人員使用了一種稱為呼吸圖法的技術(shù)來(lái)制造具有均勻孔分布的可拉伸聚合物薄膜，通過(guò)將薄膜浸入含有銀納米線的溶液中進(jìn)行涂層，然后對(duì)材料進(jìn)行熱壓，將納米線封住。由于銀納米線正好嵌入到聚合物表面正下方，因此在出汗和長(zhǎng)期磨損的情況下，該材料也表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性。研究人員表示，這種薄膜在導(dǎo)電性、光學(xué)透光性和水蒸氣滲透性方面表現(xiàn)出良好的組合特性。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的第一個(gè)原型是可安裝在皮膚上用作電生理傳感器的干電極。

（2）韓國(guó)開發(fā)出新型導(dǎo)電黏合劑，可將集成電路密度提高逾20倍

2020年5月，韓國(guó)成均館大學(xué)（Sungkyunkwan University，SKKU）和三星電子合作開發(fā)出一種導(dǎo)電黏合劑，可以將集成電路密度提高20倍以上。該黏合劑由納米金屬顆粒制成，用于在電路板上集成微型的電子設(shè)備。通過(guò)這項(xiàng)研究，研究人員已成功將數(shù)千個(gè)比頭發(fā)還細(xì)的30微米×60微米微型LED組裝在低溫低壓的柔性板上。此外，該項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在比信用卡更小的基板上排列60萬(wàn)個(gè)相距100微米的微型LED。與目前市場(chǎng)上的其他黏合劑不同，該導(dǎo)電黏合劑能夠應(yīng)用于可彎曲和展開的柔性基板上，這意味著其將為生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的進(jìn)一步小型化鋪平道路。

（3）韓國(guó)三星宣布發(fā)現(xiàn)新型半導(dǎo)體材料非晶氮化硼

2020年7月，韓國(guó)三星電子宣布，三星高級(jí)技術(shù)學(xué)院（Samsung AdvancedInstitute of Technology，SAIT）與蔚山國(guó)家科學(xué)技術(shù)學(xué)院（UlsanNational Institute of Science and Technology，UNIST）、劍橋大學(xué)兩家高校合作，成功制備出一種3納米厚的無(wú)定型氮化硼薄膜（a-BN）。該薄膜在100千赫茲和1兆赫茲的工作頻率下分別展示了1.78和1.16的超低介電性質(zhì)，極度接近于空氣的介電值1，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械、高壓穩(wěn)定性。研究人員表示，無(wú)定型氮化硼薄膜具有極低的介電常數(shù)、高擊穿電壓和出色的金屬阻擋性能，可實(shí)現(xiàn)更小巧、更緊湊的電子解決方案，推動(dòng)器件進(jìn)一步小型化發(fā)展。

（4）俄羅斯南烏拉爾州立大學(xué)研發(fā)出環(huán)保且可應(yīng)用于多種傳感器的材料

2020年7月，俄羅斯南烏拉爾州立大學(xué)（South Ural State University）的研究人員合成了適用于制造壓力、溫度、電場(chǎng)和磁場(chǎng)傳感器的陶瓷材料。當(dāng)前，許多用于制造傳感器的現(xiàn)代材料都含有鉛，其廣泛使用會(huì)造成環(huán)境污染并對(duì)人體健康產(chǎn)生負(fù)面影響，無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)。而南烏拉爾州立大學(xué)研究人員通過(guò)研究基于鉍鐵氧體的陶瓷材料的相變結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該種材料對(duì)外部因素（溫度、電勢(shì)、磁場(chǎng)、壓力）高度敏感，不僅可以被用于制造傳感器，而且該材料屬于多鐵性合金，對(duì)環(huán)境更加友好，可能成為未來(lái)傳感器材料的發(fā)展方向。

（5）日本東京大學(xué)開發(fā)出一種磁性材料，可提供更高的存儲(chǔ)密度

2020年10月，日本東京大學(xué)（The University of Tokyo）研究人員開發(fā)出一種磁性材料——ε氧化鐵。該磁性材料加上特殊的訪問(wèn)方法，可以提供比以往更高的存儲(chǔ)密度。研究人員稱，當(dāng)施加外部磁場(chǎng)時(shí)，ε氧化鐵會(huì)在高頻波情況下發(fā)生磁方向翻轉(zhuǎn)，隨后數(shù)據(jù)就被鎖定在磁帶存儲(chǔ)器中。此外，ε氧化鐵材料的魯棒性意味著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間將比其他介質(zhì)更長(zhǎng)，并且可以在低功耗下運(yùn)行，未來(lái)有望應(yīng)用于需要進(jìn)行長(zhǎng)期存儲(chǔ)的應(yīng)用中。研究人員希望能在未來(lái)5～10年內(nèi)開發(fā)出基于新磁性材料的磁帶存儲(chǔ)器，其數(shù)據(jù)容量可達(dá)當(dāng)前容量的10倍。

（6）麻省理工學(xué)院研究表明“金屬化”金剛石可制備新型量子探測(cè)器和傳感器

2020年10月，美國(guó)麻省理工學(xué)院和新加坡南洋理工大學(xué)（NanyangTechnological University，NTU）利用量子力學(xué)和機(jī)械變形的計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，使金剛石納米針變形，會(huì)使其導(dǎo)電性從絕緣體變?yōu)榘雽?dǎo)體，再變?yōu)楦邔?dǎo)電性金屬。電子在材料中移動(dòng)的難易程度是以材料的帶隙來(lái)衡量的，帶隙越大，電子越難通過(guò)。在5.6電子伏特下，金剛石通常具有超寬的帶隙，是絕緣體。但是，當(dāng)對(duì)金剛石納米針施加外力時(shí)，可以使其產(chǎn)生應(yīng)變。施加的外力越大，應(yīng)變?cè)酱?，帶隙就越窄，從而使金剛石轉(zhuǎn)化成優(yōu)良的導(dǎo)電體。研究人員稱，“金屬化”后的金剛石可以制造新型量子探測(cè)器和傳感器。

（二）新能源材料

新能源材料是指支撐新能源發(fā)展，具有能量存儲(chǔ)和能量轉(zhuǎn)換功能的材料，主要包括燃料電池材料、鋰離子電池材料、太陽(yáng)能電池材料、相變儲(chǔ)能材料、金屬氫化物鎳電池材料和半導(dǎo)體照明發(fā)光材料等。近年來(lái)，隨著氣候變化、能源危機(jī)等全球性問(wèn)題進(jìn)一步凸顯，新能源材料成為世界各國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域之一，政策扶持與資金支持不斷加碼。2020年，新能源材料領(lǐng)域取得以下進(jìn)展。

（1）澳大利亞昆士蘭大學(xué)在量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池效率方面取得重大突破

2020年2月，澳大利亞昆士蘭大學(xué)研究人員開發(fā)出能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)16.6%的新型量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，比此前世界紀(jì)錄高出近25%。該電池采用了銫和甲酰胺鉛三碘鈣鈦礦體系，并用油酸配體輔助陽(yáng)離子交換策略，提供了穩(wěn)定的基于鈣鈦礦的光伏和光電子學(xué)的途徑。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制量子點(diǎn)上的表面功能化學(xué)物質(zhì)，開發(fā)出一種新的表面工程方法，不僅可以穩(wěn)定量子點(diǎn)，還可以保持電子通過(guò)的路徑平滑，使量子點(diǎn)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的效率大大提高。此外，由于這些量子點(diǎn)具有柔韌性，并且能夠以較低成本大規(guī)模打印，因此可將其用作透明皮膚，為汽車、飛機(jī)、房屋和可穿戴設(shè)備提供動(dòng)力。

（2）美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出一種新型納米結(jié)構(gòu)，可用于制造高性能鋰離子電池陽(yáng)極

2020年4月，美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific NorthwestNational Laboratory，PNNL）研究人員設(shè)計(jì)出一種新型納米結(jié)構(gòu)，能夠賦予硅非凡的強(qiáng)度，使其有望成為鋰離子電池的陽(yáng)極材料。近年來(lái)，隨著對(duì)更高能量密度電池的需求不斷增加，石墨基電極亟待升級(jí)，而硅被認(rèn)為是一種很好的升級(jí)版材料。但硅在遇到鋰時(shí)會(huì)大幅膨脹，可能會(huì)導(dǎo)致鋰電池陽(yáng)極破裂粉化。為解決這一難題，研究人員將細(xì)小的硅顆粒聚集到直徑約8微米的微球中，形成一種相當(dāng)于紅細(xì)胞大小的分層多孔硅結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)就像海綿一樣，內(nèi)部有空間吸收膨脹壓力。研究表明，這種分層多孔結(jié)構(gòu)具有出色的電化學(xué)性能、機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性，可用于制造高性能鋰離子電池陽(yáng)極，其可容納的電荷也是典型石墨基陽(yáng)極的兩倍。

（3）瑞典林雪平大學(xué)研發(fā)出穩(wěn)定的鈣鈦礦——有機(jī)分子復(fù)合薄膜，可用于開發(fā)高效發(fā)光二極管

2020年4月，瑞典林雪平大學(xué)（Link?ping University，LiU）與中國(guó)、英國(guó)和捷克組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)合作研制出一種效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的鈣鈦礦發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）。鈣鈦礦是當(dāng)今熱門的半導(dǎo)體材料之一，其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使其具有卓越的光學(xué)及電子特性，并且制造起來(lái)難度小、成本低。然而，當(dāng)前大多數(shù)鈣鈦礦LED并不是特別穩(wěn)定，無(wú)法投入實(shí)際應(yīng)用。此次研究團(tuán)隊(duì)采用鉛、碘和有機(jī)物質(zhì)甲脒制備了新型鈣鈦礦材料，并將鈣鈦礦材料嵌入到有機(jī)分子基體中，最終形成一種復(fù)合薄膜。其中，末端有兩個(gè)氨基的有機(jī)分子有助于穩(wěn)定鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)，鉛和碘有助于提升鈣鈦礦的發(fā)光性能。測(cè)試結(jié)果表明，新型鈣鈦礦LED的效率為17.3%，服役壽命超過(guò)100小時(shí)。

（4）美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出新型氧電極材料，可使電化學(xué)電池實(shí)現(xiàn)“三重傳導(dǎo)”

2020年5月，美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Idaho National Laboratory，INL）研發(fā)出一款可用作電化學(xué)電池的新型氧電極材料。該材料是一種鈣鈦礦化合物，此前氧電極只傳導(dǎo)電子和氧離子，而新型鈣鈦礦能夠進(jìn)行“三重傳導(dǎo)”，即可傳導(dǎo)電子、氧離子和質(zhì)子。在實(shí)際應(yīng)用中，能夠進(jìn)行“三重傳導(dǎo)”的電極會(huì)更快、更高效地發(fā)生反應(yīng)，因而可以在保持良好性能的同時(shí)，降低操作溫度。研究人員表示，使用該材料的電池能夠高效地將多余的電力和水轉(zhuǎn)化為氫，當(dāng)電力需求增加時(shí)，該電池能夠反過(guò)來(lái)將氫轉(zhuǎn)換成電，用于電網(wǎng)供電。未來(lái)，研究人員希望繼續(xù)將創(chuàng)新材料與前沿制造工藝相結(jié)合，繼續(xù)改進(jìn)該款電化學(xué)電池，以使其可以應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。

（5）英國(guó)研發(fā)石墨烯基催化劑，可制成使用壽命更長(zhǎng)的氫燃料電池

2020年8月，英國(guó)倫敦瑪麗女王大學(xué)（Queen Mary University ofLondon）和倫敦大學(xué)學(xué)院（University College London）的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一鍋合成法，生產(chǎn)出包裹著鉑納米顆粒的高質(zhì)量石墨烯，并將其用于研發(fā)氫燃料電池催化劑。氫燃料電池在催化劑作用下使氫和氧結(jié)合，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是一種高效且環(huán)保的能源。在氫燃料電池中，鉑是使用最廣泛的催化劑，但成本高昂，這也是阻止氫燃料電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的一大難題。為解決該問(wèn)題，商用催化劑通常是在較便宜的碳載體上裹上微小的鉑納米顆粒，不過(guò)此種材料耐用性很差，大大縮短了當(dāng)前燃料電池的使用壽命。研究表明，石墨烯具有耐腐蝕性、表面積大且導(dǎo)電性高等優(yōu)點(diǎn)，可能是氫燃料電池催化劑的理想支撐材料。與現(xiàn)有的催化劑相比，石墨烯基催化劑更耐用且性能相當(dāng)，可用于大規(guī)模生產(chǎn)，有望在能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

（6）美國(guó)用回收塑料制備儲(chǔ)能納米材料，可用于制備電動(dòng)汽車超級(jí)電容器

2020年9月，美國(guó)加州大學(xué)河濱分校研發(fā)了一種方法，以回收蘇打水瓶等塑料，并將此類塑料制備成可以用來(lái)存儲(chǔ)能源的納米材料。研究人員首先將塑料瓶的碎片溶解在溶劑中，然后采用靜電紡絲工藝，用聚合物制出微小的纖維，并在熔爐中將塑料絲碳化。在與黏結(jié)劑和導(dǎo)電劑混合后，該材料被干燥，并被組裝成硬幣電池芯類型的雙層超級(jí)電容器。當(dāng)在超級(jí)電容器中測(cè)試該材料時(shí)，該材料包含了由分散離子電荷和電子電荷形成的雙層電容器，以及當(dāng)離子被電化學(xué)反應(yīng)吸收到材料表面時(shí)產(chǎn)生的氧化還原反應(yīng)偽電容的特性。雖然此電容器存儲(chǔ)的能量不如鋰離子電池多，但充電速度要快得多，可以讓很多基于塑料廢料制成的電池應(yīng)用到更多領(lǐng)域。

（7）英國(guó)發(fā)現(xiàn)可將太陽(yáng)能存儲(chǔ)數(shù)月乃至數(shù)年的特殊材料

2020年12月，英國(guó)蘭開斯特大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)一種可將太陽(yáng)能存儲(chǔ)數(shù)月乃至數(shù)年的特殊材料——金屬有機(jī)框架（Metal-Organic Framework，MOF）材料。MOF材料是多孔的，因此可與其他小分子形成復(fù)合材料。MOF材料通過(guò)添加吸收光的化合物偶氮苯分子，最終形成的復(fù)合材料能在室溫下將吸收的紫外線能量?jī)?chǔ)存至少4個(gè)月，然后再釋放出來(lái)。目前大多數(shù)光響應(yīng)材料僅能存儲(chǔ)幾天或幾周能量，而MOF材料成為該領(lǐng)域的重大突破。研究人員稱，該材料仍需要做一些改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，未來(lái)有望用于為汽車風(fēng)窗玻璃除冰或?yàn)榧彝ズ娃k公室提供額外的熱量。

（8）德國(guó)研發(fā)出當(dāng)前全球最高轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦電池

2020年12月，德國(guó)海姆霍茲柏林材料所研發(fā)出目前全球最高轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦—硅疊層太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)29.15%。此外，該電池即使在沒(méi)有封裝的情況下也能提供300小時(shí)的穩(wěn)定電量。在該項(xiàng)研究中，研究人員為鈣鈦礦—硅疊層電池開發(fā)了一種特殊的電極接觸層，用于光學(xué)耦合頂部和底部電池，同時(shí)還改進(jìn)了界面層。在鈣鈦礦—硅疊層電池中，硅將大部分太陽(yáng)光的紅外/近紅外轉(zhuǎn)化為電能，而鈣鈦礦化合物則主要利用光譜的可見(jiàn)光部分。因此，由硅和鈣鈦礦制成的疊層太陽(yáng)能電池可比單個(gè)電池實(shí)現(xiàn)更高的效率。當(dāng)前，該太陽(yáng)能電池在1平方厘米的樣品中測(cè)試成功。研究人員希望未來(lái)將其擴(kuò)大到更貼合實(shí)際應(yīng)用的尺寸。

（三）生物醫(yī)用材料

生物醫(yī)用材料是指以醫(yī)療為目的，用于診斷、治療、修復(fù)、替換人體組織器官或增進(jìn)其功能的新型高技術(shù)材料，是材料科學(xué)技術(shù)中一個(gè)高速發(fā)展的新領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破，生物醫(yī)用材料已成為各國(guó)研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。2020年，生物醫(yī)用材料領(lǐng)域取得以下幾個(gè)方面的進(jìn)展。

（1）瑞典隆德大學(xué)開發(fā)出一種可治愈傷口的非抗生素凝膠

2020年1月，瑞典隆德大學(xué)（Lund University）研究人員開發(fā)出一種用于愈合傷口的凝膠。該凝膠不僅可以殺死對(duì)抗生素產(chǎn)生耐藥性的細(xì)菌，還可以減輕傷口內(nèi)的炎癥。該凝膠含有一種名為TCP-25的肽，可通過(guò)殺死傷口部位的有害細(xì)菌來(lái)幫助預(yù)防感染。在對(duì)大鼠和豬進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，該凝膠可在使用后24小時(shí)內(nèi)減少傷口發(fā)炎，并在隨后3～4天內(nèi)顯著減少細(xì)菌數(shù)量。隆德大學(xué)正在與瑞典生物醫(yī)學(xué)初創(chuàng)公司in2cure AB進(jìn)行合作，使該技術(shù)商業(yè)化，并希望該技術(shù)能很快應(yīng)用于燒傷患者的臨床試驗(yàn)中。下一步，研究人員計(jì)劃開發(fā)用于治療眼部感染和其他內(nèi)部器官感染的新型肽基藥物。

（2）中國(guó)天津大學(xué)開發(fā)出可追蹤癌細(xì)胞位置的新型水凝膠材料

2020年2月，天津大學(xué)研究人員成功研發(fā)出新型長(zhǎng)余輝水凝膠。該水凝膠由腫瘤特異靶向性的“長(zhǎng)余輝納米探針”和“海藻酸鈉水凝膠”構(gòu)成，通過(guò)表面修飾腫瘤特異性配體，能夠靶向識(shí)別、持續(xù)標(biāo)記不同腫瘤細(xì)胞，其進(jìn)入活體后，能夠在腫瘤細(xì)胞上長(zhǎng)時(shí)間標(biāo)記并發(fā)出近紅外光，使腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移活動(dòng)形成一幅發(fā)光的“實(shí)時(shí)位置軌跡圖”。試驗(yàn)結(jié)果顯示，新型水凝膠有很高的靈敏度且生物相容性好，無(wú)毒無(wú)副作用，不影響腫瘤的轉(zhuǎn)移和侵襲。研究人員表示，該水凝膠可以針對(duì)各種類型的癌細(xì)胞進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，從而為各種腫瘤轉(zhuǎn)移研究提供通用檢測(cè)平臺(tái)，在癌癥治療領(lǐng)域具有廣闊前景。

（3）瑞典查爾默斯理工大學(xué)開發(fā)出無(wú)毒柔性材料，可用于藥物精準(zhǔn)治療

2020年3月，瑞典查爾默斯理工大學(xué)（Chalmers Tekniska H?gskola，CTH）研究人員開發(fā)出一種柔軟、呈橡膠狀的生物相容性材料。該材料內(nèi)部充斥著納米孔洞，是一種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其成分類似于有機(jī)玻璃，但柔韌性、彈性要優(yōu)于有機(jī)玻璃。研究人員表示，未來(lái)可以將一塊載有藥物的材料植入體內(nèi)，以精確地將藥物輸送到需要的地方，從而最大限度地減少了口服同一藥物所帶來(lái)的副作用。此外，該材料還可用于替換體內(nèi)軟骨或其他軟組織，但這可能需要提前3D打印替換零件，然后通過(guò)傳統(tǒng)手術(shù)方式將其植入。

（4）美國(guó)哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院制備出一種可以直接打印成具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的水凝膠生物墨水

2020年9月，美國(guó)哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院（Harvard Medical School，HMS）報(bào)道了一種基于甲基丙烯?；髂z的生物墨水的制備方法，實(shí)現(xiàn)了具有納米孔—微孔—大孔多級(jí)孔的細(xì)胞負(fù)載水凝膠結(jié)構(gòu)的3D生物打印，并且證明這種多孔級(jí)水凝膠在微創(chuàng)組織再生和細(xì)胞治療方面的應(yīng)用前景。多孔水凝膠由于內(nèi)部存在著大量孔結(jié)構(gòu)，可在注射前后具有形狀記憶功能，利用該功能可以將其直接注射到組織缺損空間內(nèi)并與周圍的宿主組織結(jié)合，實(shí)現(xiàn)組織再生修復(fù)。同時(shí)，該方法避免了侵入性外科手術(shù)，能極大地減輕患者的痛苦，有望在組織工程、再生醫(yī)學(xué)和個(gè)性化治療方面得到應(yīng)用。

（5）俄羅斯合成一種新材料，可有效止血還具明顯的抗菌活性

2020年9月，俄羅斯門捷列夫化工大學(xué)（Mendeleev University ofChemical Technology of Russia，MUCTR）研究人員用殼聚糖、藻酸鹽兩種生物聚合物和銀納米顆粒合成一種新材料，形如一塊5厘米厚的多孔海綿，可用于開放性傷口快速止血，同時(shí)防止感染。當(dāng)前，市面上的各種止血材料大部分只注重快速止血，不適合更長(zhǎng)期的治療。而此次研發(fā)的新材料中，殼聚糖與藻酸鹽結(jié)合形成的凝膠，在浸入溶液時(shí)可以保持穩(wěn)定。同時(shí)，殼聚糖具有抗菌作用，可促使血液成分結(jié)合，使傷口愈合，而銀納米顆粒可增強(qiáng)凝膠的抗菌作用。

（6）德國(guó)開發(fā)出將藥物和銀結(jié)合起來(lái)的植入物涂層，可防止術(shù)后感染

2020年11月，德國(guó)弗勞恩霍夫制造技術(shù)和先進(jìn)材料研究所（FraunhoferInstitute For Manufacturing Technology And Advanced Material）與柏林大學(xué)醫(yī)學(xué)院（Universit?t zu Berlin）合作開發(fā)出將藥物和銀結(jié)合起來(lái)的植入物涂層。研究人員利用激光對(duì)浸過(guò)抗生素溶液的鈦合金髖關(guān)節(jié)表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，使金屬表面充滿含有抗生素溶液的微孔，然后再使用物理氣相沉積技術(shù)在金屬上涂一層具有抗菌性的銀。植入髖關(guān)節(jié)后，抗生素能從微孔中流入周圍組織，有助于防止術(shù)后立即出現(xiàn)任何感染，而銀會(huì)在幾周內(nèi)釋放殺菌離子，為愈合階段提供防感染保護(hù)。此外，植入物髖關(guān)節(jié)表面的微孔使其能夠更好地與鄰近的骨融合。

（四）節(jié)能環(huán)保材料

節(jié)能環(huán)保材料廣義上是指應(yīng)用于節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的相關(guān)材料。近年來(lái)，隨著世界各國(guó)加強(qiáng)對(duì)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的扶持力度，節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平顯著提升，節(jié)能環(huán)保材料的發(fā)展勢(shì)如破竹。2020年，節(jié)能環(huán)保材料領(lǐng)域取得以下幾個(gè)方面的進(jìn)展。

（1）日本神戶大學(xué)研發(fā)出一種能夠有效分離油和水、可重復(fù)使用的薄膜

2020年1月，日本神戶大學(xué)（Kobe University）薄膜技術(shù)研究中心在多孔聚酮（Porous polyketone，PK）薄膜上涂覆10納米厚的二氧化硅涂層，成功開發(fā)出能夠有效分離油和水且能夠重復(fù)使用的薄膜。其中，PK薄膜具有大孔徑和高孔隙率，水滲透性良好；硅化過(guò)程（在PK纖維上添加二氧化硅）提供了堅(jiān)固的拒油涂層，可保護(hù)表面改性膜免受污染，從而實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用。該薄膜的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要很大的壓力即可實(shí)現(xiàn)高透水性，即使用低至10厘米（約0.01個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）的水位也表現(xiàn)出了重力滲透性。研究人員稱，每平方米薄膜可在1小時(shí)內(nèi)處理6000升廢水，也可有效地從各種不同的油性乳液中分離出水。

（2）美國(guó)萊斯大學(xué)研發(fā)出可將塑料等垃圾變成石墨烯的新技術(shù)

2020年2月，美國(guó)萊斯大學(xué)研發(fā)出一種新工藝，可將廢棄食品、塑料廢料、石油焦、煤、木屑和生物炭等垃圾快速轉(zhuǎn)化成有價(jià)值的石墨烯薄片。新工藝名為“閃蒸石墨烯”技術(shù)，可在10毫秒內(nèi)將碳源加熱至3000開爾文（2727攝氏度）以制得石墨烯薄片，其成本低于其他的石墨烯生產(chǎn)方法。這類石墨烯的潛在應(yīng)用包括將其混入用作黏結(jié)混凝土的水泥中，可將混凝土對(duì)環(huán)境的影響降低1/3。研究人員表示，新技術(shù)可將固體碳基物質(zhì)和橡膠等塑料廢料轉(zhuǎn)化為石墨烯，有助于解決食物浪費(fèi)、白色污染等全球問(wèn)題。

（3）新加坡國(guó)立大學(xué)研發(fā)出新工藝將廢舊輪胎橡膠轉(zhuǎn)換為多用途氣凝膠

2020年3月，新加坡國(guó)立大學(xué)研究人員開發(fā)出一種將舊輪胎橡膠轉(zhuǎn)換為高價(jià)值氣凝膠的方法。研究團(tuán)隊(duì)首先將廢棄的汽車輪胎切成細(xì)橡膠纖維，然后將纖維浸入由水和少量“生態(tài)友好型”溶劑組成的溶液中，使纖維彼此交聯(lián)。機(jī)械攪拌20分鐘后，該混合物形成液體凝膠，交聯(lián)纖維均勻懸浮其中。最后將該凝膠倒入模具，并在零下50攝氏度下冷凍干燥12個(gè)小時(shí)后，得到固體橡膠氣凝膠。該氣凝膠具有隔熱、隔聲和吸收性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，制造過(guò)程簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效且環(huán)保，生產(chǎn)一塊面積為1平方米且厚度為1厘米的橡膠氣凝膠的成本不到10新幣，具有良好的應(yīng)用前景。

（4）美國(guó)科羅拉多大學(xué)利用細(xì)菌生產(chǎn)礦物質(zhì)和聚合物，打造環(huán)保的建筑材料

2020年3月，美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校（University of ColoradoBoulder）利用細(xì)菌來(lái)生產(chǎn)礦物質(zhì)和聚合物，以打造環(huán)保的建筑材料。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)大腸桿菌進(jìn)行編程，成功生產(chǎn)出不同尺寸、形狀和剛度的石灰?guī)r顆粒，以及用于制造聚苯乙烯泡沫的苯乙烯單體。石灰?guī)r顆粒與聚苯乙烯復(fù)合后，可用于開發(fā)環(huán)保、低碳的生物建筑材料。研究人員表示，基于合成生物學(xué)和基因編輯等技術(shù)，細(xì)菌還可用于生產(chǎn)自愈材料、環(huán)境感知材料和發(fā)光材料等，應(yīng)用前景十分廣泛。

（5）澳大利亞莫納什大學(xué)利用特殊材料快速將海水轉(zhuǎn)化成飲用水

2020年8月，澳大利亞莫納什大學(xué)（Monash University）開發(fā)出一種新型海水淡化技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)將聚螺吡喃丙烯酸酯加入一種金屬有機(jī)框架材料的孔隙中，獲得一種名為PSP-MIL-53的材料。據(jù)介紹，該材料可以在30分鐘內(nèi)將海水等咸水中的鹽分及有害顆粒吸附出來(lái)，并使水質(zhì)達(dá)到世界衛(wèi)生組織規(guī)定的飲用水安全標(biāo)準(zhǔn)。隨后，只要經(jīng)過(guò)陽(yáng)光照射，材料就會(huì)很快釋放出吸附的鹽分等顆粒，從而實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，每千克特殊材料可以過(guò)濾139.5升的飲用水，并且使用特殊材料所耗費(fèi)的成本遠(yuǎn)低于現(xiàn)在的海水淡化技術(shù)。新型技術(shù)利用陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的咸水淡化，為發(fā)展低耗能、具有可持續(xù)性的海水淡化技術(shù)開辟出一條全新的道路。

（6）國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出可反復(fù)利用、無(wú)限循環(huán)的塑料

2020年8月，美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)、中國(guó)北京大學(xué)和沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)從生物基烯烴羧酸中制備橋聯(lián)雙環(huán)硫內(nèi)酯單體，制備出一種新型塑料PBTL。該塑料可以很容易地分解并重新組合成高質(zhì)量的產(chǎn)品，并且這個(gè)過(guò)程可以無(wú)限重復(fù)。研究人員首先用催化劑在100攝氏度下進(jìn)行整體解聚來(lái)測(cè)試塑料，測(cè)試結(jié)果表明PBTL已被分解成原來(lái)的單體。隨后，在室溫下分解PBTL樣品（使用催化劑），再次檢測(cè)到樣品已經(jīng)分解成原來(lái)的單體。最后，利用以上制得的單體仍可以再制造出PBTL。一系列性能測(cè)試表明，PBTL具有優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性和穩(wěn)定性，可用于制造塑料包裝、運(yùn)動(dòng)器材、汽車零部件、建筑材料和其他產(chǎn)品。

四、前沿新材料

前沿新材料是具有戰(zhàn)略性、前瞻性和顛覆性的新材料，是未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)，具有重要的引領(lǐng)作用和重大的應(yīng)用前景。近年來(lái)，在世界各國(guó)的積極推動(dòng)下，二維材料、智能材料和超材料等前沿材料發(fā)展迅猛，前沿、顛覆性技術(shù)不斷涌現(xiàn)，支撐著一大批高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（一）二維材料

二維材料是厚度為幾納米或更小的由單層原子組成的結(jié)晶材料，具有特殊的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和力學(xué)等性能，在高端電子和光電子器件、能源轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)及復(fù)合材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。2020年，二維材料領(lǐng)域取得以下幾個(gè)方面的進(jìn)展。

（1）芬蘭阿爾托大學(xué)實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)尺寸的二維材料扭曲

2020年5月，芬蘭阿爾托大學(xué)（Aalto University）基于外延生長(zhǎng)法和水助劑轉(zhuǎn)移法，開發(fā)出一種可將大尺寸二維材料層進(jìn)行扭曲的新方法。近年來(lái)，單層原子組成的二維材料憑借著獨(dú)特的電、光和機(jī)械特性，被廣泛應(yīng)用于激光、光電、傳感器和醫(yī)療等領(lǐng)域。研究人員發(fā)現(xiàn)將二維材料放在另一材料上并稍做旋轉(zhuǎn)時(shí)，扭曲會(huì)從根本上改變雙層材料的性能，如高溫超導(dǎo)性、非線性光學(xué)及超潤(rùn)滑性，這促使了扭曲與電子學(xué)的結(jié)合。芬蘭阿爾托大學(xué)以二硫化鉬材料為主要研究對(duì)象，不僅可以精確控制單原子層之間的扭曲角，還可將扭曲層的尺寸由以前的微米級(jí)擴(kuò)展至厘米級(jí)，實(shí)現(xiàn)了大尺寸二維材料扭曲。未來(lái)，研究人員計(jì)劃將該扭曲方法應(yīng)用于其他二維分層材料上。

（2）瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院設(shè)計(jì)出一種基于二維半導(dǎo)體材料的新型器件

2020年6月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院納米電子器件實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并論證了一種基于二維半導(dǎo)體材料的新型器件，其效能幾乎與人類神經(jīng)元相當(dāng)。研究人員利用二硒化鎢和二硒化錫柵極結(jié)的能帶對(duì)準(zhǔn)機(jī)制，開發(fā)出被稱為二維隧穿晶體管的高能效二維晶體管。二維隧穿晶體管工作原理類似于“山中開鑿隧道”，能夠以更低的能耗實(shí)現(xiàn)開關(guān)的接通和關(guān)斷操作。研究人員通過(guò)原子模擬測(cè)試驗(yàn)證了二維隧穿晶體管的性能，其比類似的二維半導(dǎo)體材料制成的晶體管性能更高，且電源電壓非常低。二維隧穿晶體管可用于構(gòu)建類似于大腦神經(jīng)元的節(jié)能電子系統(tǒng)，未來(lái)有望在可穿戴設(shè)備和人工智能芯片領(lǐng)域得到應(yīng)用。

（3）美國(guó)研發(fā)出厚度僅三個(gè)原子的二維金屬芯片，可使芯片存儲(chǔ)速度提高100倍

2020年7月，美國(guó)斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校和得克薩斯農(nóng)工大學(xué)（Texas A&M University，TAMU）的研究人員利用層狀二碲化鎢制成了二維金屬芯片，其厚度僅為三個(gè)原子。研究人員對(duì)二碲化鎢薄層結(jié)構(gòu)施加微小電流，使其奇數(shù)層相對(duì)于偶數(shù)層發(fā)生穩(wěn)定且快速的偏移，并利用奇偶層的排列來(lái)存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寫入后，再通過(guò)一種稱為貝利曲率的量子特性，在不干擾排列的情況下讀取數(shù)據(jù)。與現(xiàn)有的基于硅的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)相比，新芯片可以將更多的數(shù)據(jù)填充到極小的物理空間中，非常節(jié)能。此外，二碲化鎢薄層結(jié)構(gòu)奇偶層偏移速度很快，可以使數(shù)據(jù)寫入速度比現(xiàn)有技術(shù)快100倍。目前，團(tuán)隊(duì)已為該設(shè)計(jì)申請(qǐng)了專利，并繼續(xù)研究下一步改進(jìn)方法，如尋找除二碲化鎢之外的其他二維材料。

（4）中國(guó)制備出一種不存在已知母體材料的全新二維層狀材料

2020年8月，沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心先進(jìn)炭材料研究部在化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)非層狀二維氮化鉬的過(guò)程中，引入硅元素鈍化其表面懸鍵，制備出一種不存在已知母體材料的全新二維范德華層狀材料MoSi2N4，并獲得了厘米級(jí)單層薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，單層MoSi2N4具有半導(dǎo)體性質(zhì)和優(yōu)于二硫化鉬的理論載流子遷移率，表現(xiàn)出優(yōu)于二硫化鉬等單層半導(dǎo)體材料的力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。此外，研究人員通過(guò)理論計(jì)算預(yù)測(cè)出了十幾種與單層MoSi2N4具有相同結(jié)構(gòu)的二維層狀材料，包含不同帶隙的半導(dǎo)體、金屬和磁性半金屬等。探索不存在已知三維母體材料的新型二維層狀材料，可極大拓展二維材料的物性和應(yīng)用，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

（5）美國(guó)德雷克塞爾大學(xué)開發(fā)出一種可阻擋電磁波和其他輻射的二維材料

2020年12月，美國(guó)德雷克塞爾大學(xué)（Drexel University）研究人員開發(fā)出一種稱為MXene的涂層和相關(guān)新型織物。MXene涂層是一種二維材料，具有導(dǎo)電性，已被證明在阻擋電磁波和有害輻射方面非常有效。此外，MXene可以穩(wěn)定地制成噴霧涂層、墨水或油漆，使其可以應(yīng)用于紡織品中。研究表明，如果將普通的棉布或麻布浸涂在MXene溶液中，可以阻擋電磁干擾，效果大于99.9%。而使用這種工藝涂覆的織物在正常條件下存放兩年后，其屏蔽效率只損失了大約10%。

（二）智能材料

智能材料是指具有感知環(huán)境刺激能力，可以進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料，是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料。自20世紀(jì)90年代起，智能材料迅速發(fā)展起來(lái)，成為一種全新的材料分支學(xué)科，并朝著更加高性能化、多功能化、復(fù)合化、精細(xì)化和智能化方向發(fā)展。2020年，智能材料領(lǐng)域取得以下幾個(gè)方面的進(jìn)展。

（1）美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校研發(fā)出全新熱偽裝材料，可自行適應(yīng)環(huán)境溫度

2020年3月，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校（University of California，SanDiego）研究人員開發(fā)出一種可適應(yīng)環(huán)境溫度的新型熱偽裝材料。該材料為一種柔性材料，由蠟狀相變物質(zhì)及熱電合金組成，由集成電池供電，并由佩戴者通過(guò)無(wú)線電路板控制。施加電流時(shí)，材料能夠在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)在10攝氏度到38攝氏度范圍內(nèi)改變溫度。當(dāng)環(huán)境溫度高于30攝氏度時(shí)，材料會(huì)通過(guò)相變吸收熱量；當(dāng)環(huán)境溫度低于30攝氏度時(shí)，材料會(huì)固化并起到隔熱作用。該材料已被合并到迷彩服的臂章中。研究人員希望最終可以打造出完整、貼身的夾克。

（2）中國(guó)天津大學(xué)研發(fā)出“全天候自愈合材料”，可在嚴(yán)寒、深海和強(qiáng)酸堿等極限條件下快速自愈合

2020年6月，中國(guó)天津大學(xué)成功研發(fā)出“全天候自愈合材料”，該材料能在嚴(yán)寒、深海和強(qiáng)酸堿等極限條件下快速自愈合，有望成為機(jī)器人、深海探測(cè)器和極端條件下各類高科技設(shè)備的“超級(jí)電子皮膚”。研究人員充分利用了不同動(dòng)態(tài)鍵的相互協(xié)同作用，使材料在不借助任何外界能源的條件下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高彈性、高拉伸性和快速修復(fù)損傷的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，新型自愈合材料在室溫下可實(shí)現(xiàn)10分鐘內(nèi)快速愈合，愈合后可承受超過(guò)自身重量500倍的重物，并在零下40攝氏度的低溫、過(guò)冷高濃度鹽水下甚至在強(qiáng)酸強(qiáng)堿性環(huán)境中都表現(xiàn)出了高效的自愈合性能。下一步，研究人員計(jì)劃將材料應(yīng)用于電子皮膚傳感器，從而使極限環(huán)境下的機(jī)器人能夠感知體表的壓力、水流和溫度等，為先進(jìn)電子設(shè)備打造真正的“智能皮膚”。

（3）日本東京大學(xué)開發(fā)出可自我修復(fù)的新復(fù)合材料

2020年6月，日本東京大學(xué)與美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)研究人員聯(lián)合開發(fā)出具有自我修復(fù)能力的新復(fù)合材料“MWCNTs-PBS”。該材料由聚硅氧烷（PBS）和多層碳納米管（MWCNTs）復(fù)合而成，具有機(jī)械和電氣自愈性。研究人員將PBS、MWCNTs-PBS和其他常見(jiàn)的軟材料結(jié)合在一起，構(gòu)建出具有自愈合、傳感和驅(qū)動(dòng)能力的接口設(shè)備。自修復(fù)材料的應(yīng)用范圍極為廣泛，包括軍用裝備、電子產(chǎn)品、汽車、飛機(jī)和建筑材料等領(lǐng)域，其中在智能手機(jī)和平板電腦屏幕上的應(yīng)用最受關(guān)注，此次研究人員使自修復(fù)材料向?qū)嵱没较蛴诌~進(jìn)了一步。

（4）英國(guó)劍橋大學(xué)研發(fā)出由納米顆粒制成的光熱驅(qū)動(dòng)變色皮膚

2020年6月，英國(guó)劍橋大學(xué)研發(fā)出一種人造變色皮膚，在光照或加熱時(shí)會(huì)變色。該皮膚變色機(jī)理源于其中的納米顆粒。研究人員先將14納米的金顆粒（Au）包裹在聚（N-異丙基丙烯酰胺）（pNIPAM）外殼中，制成Au@pNIPAM芯—?dú)そY(jié)構(gòu)納米顆粒，再用流動(dòng)聚焦微流體裝置和碳氟油產(chǎn)生含納米顆粒的水滴，最后將水滴轉(zhuǎn)移至油中以防蒸發(fā)。當(dāng)光照或加熱至32攝氏度以上時(shí)，納米顆粒會(huì)聚集在油水界面處，并沉積到水滴底部，材料呈深藍(lán)色；當(dāng)溫度降低后，納米顆粒通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)重新分散，材料呈紅色。用這種機(jī)理可研制光隱身皮膚、光/熱敏感變色材料等，甚至通過(guò)激光照射構(gòu)建可編程控制顏色的材料。

（5）美、德研究人員研發(fā)聚合物材料，可使軟機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)

2020年7月，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)和德國(guó)馬克斯·普朗克研究所研究人員受烏賊圓環(huán)齒啟發(fā)，聯(lián)合開發(fā)出一種能夠?qū)崿F(xiàn)自我修復(fù)的聚合物材料。研究人員通過(guò)研究烏賊圓齒軟硬混合蛋白質(zhì)的序列，在細(xì)菌生物反應(yīng)器中創(chuàng)造出具有重復(fù)氨基酸序列的聚合物材料，其能夠在水和熱量的作用下快速實(shí)現(xiàn)自我愈合，且愈合時(shí)間小于同類型材料。該材料可完全生物降解，將有利于構(gòu)建堅(jiān)固且可自我修復(fù)的軟機(jī)器人和執(zhí)行器，幫助其延長(zhǎng)使用壽命。

（6）美國(guó)開發(fā)出可回收、可自愈的聚合物3D打印材料

2020年8月，美國(guó)得克薩斯農(nóng)工大學(xué)和美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)出一種可回收、自愈合的聚合物3D打印材料。研究人員利用低聚物線性預(yù)聚物和交聯(lián)劑二苯甲烷雙馬來(lái)酰亞胺的混合物制成新型樹脂材料，通過(guò)增加該材料內(nèi)部交聯(lián)分子的數(shù)量，可以控制該材料的強(qiáng)度水平，使其能夠像橡膠般柔軟或具備塑料般的強(qiáng)度。該聚合物材料暴露在高溫下時(shí)，化學(xué)鏈接會(huì)脫離或重連，因此可經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)修復(fù)。該材料能夠在幾秒鐘內(nèi)自愈，并且可以進(jìn)行3D打印，在假肢、柔性機(jī)器人及航空航天部件制造領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

（7）美國(guó)研制出可作為軟體機(jī)器人的仿生材料

2020年12月，美國(guó)西北大學(xué)（Northwestern University，UN）研究人員研制出一種仿生材料，其本身可以作為一種軟體機(jī)器人，不僅能夠在液態(tài)環(huán)境中行動(dòng)自如地完成拾取和運(yùn)輸物體等任務(wù)，而且前進(jìn)速度達(dá)到了每秒一步，甚至與人類步伐速度相當(dāng)。該仿生材料軟體機(jī)器人大小只有幾厘米長(zhǎng)，形狀像帶有四條腿的章魚，內(nèi)嵌的鎳制骨架使其能夠響應(yīng)外部磁場(chǎng)，由于沒(méi)有任何復(fù)雜的硬件或是液壓、電力組件，因此可以不受體積限制在水下或地下的微小空間中執(zhí)行重要任務(wù)。該類仿生軟體機(jī)器人在生產(chǎn)燃料和藥物、海洋環(huán)境清理或變革性醫(yī)療的“智能”微觀系統(tǒng)中具有應(yīng)用前景。

超材料是21世紀(jì)以來(lái)出現(xiàn)的一類人工復(fù)合材料，具備天然材料所不具備的特殊物理性質(zhì)。作為最熱門的新興技術(shù)之一，超材料正持續(xù)引發(fā)信息技術(shù)、國(guó)防工業(yè)、新能源及微細(xì)加工的重大變革。2020年，超材料領(lǐng)域取得以下幾個(gè)方面的進(jìn)展。

（三）超材料

超材料是21世紀(jì)以來(lái)出現(xiàn)的一類人工復(fù)合材料，具備天然材料所不具備的特殊物理性質(zhì)。作為最熱門的新興技術(shù)之一，超材料正持續(xù)引發(fā)信息技術(shù)、國(guó)防工業(yè)、新能源及微細(xì)加工的重大變革。2020年，超材料領(lǐng)域取得以下幾個(gè)方面的進(jìn)展。

（1）美國(guó)南加州大學(xué)開發(fā)出新型智能聲學(xué)超材料，可控制聲波的傳播方式

2020年3月，美國(guó)南加州大學(xué)研究人員受鯊魚皮膚啟發(fā)，研發(fā)出可控制聲波傳播方式的新型智能聲學(xué)超材料。傳統(tǒng)聲學(xué)超材料通常由金屬或塑料制成，聲學(xué)特性單一，難以對(duì)不同聲波信號(hào)進(jìn)行處理。此次研究人員利用鯊魚皮膚具有雙重聲學(xué)特性的原理，采用橡膠和鐵納米顆粒制備出智能聲學(xué)超材料，利用了橡膠易于彎曲和拉伸、鐵納米顆?？身憫?yīng)磁場(chǎng)變化的特性。該聲學(xué)超材料構(gòu)成的柱狀陣列通過(guò)分開或靠近即可實(shí)現(xiàn)聲波的傳播或阻斷，目前尚處于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段，未來(lái)研究人員還將對(duì)其進(jìn)行水下測(cè)試。

（2）英國(guó)和土耳其合作設(shè)計(jì)出模塊化超材料，可用于數(shù)據(jù)加密和可逆解密

2020年7月，土耳其畢爾肯大學(xué)（?hsan Do?ramac?-Bilkent University）與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)（University of Manchester）合作設(shè)計(jì)出一種模塊化超材料，可用于數(shù)據(jù)加密和可逆解密。該材料由兩部分組成，頂部是透明的彈性襯底，其上涂覆約10納米厚的金屬層；底部是120納米厚的銀膜，其上涂覆介電層，以反射大部分入射光。當(dāng)頂部和底部放在一起時(shí)，頂部的金屬層與底部的銀膜形成光學(xué)腔，腔的顏色等性質(zhì)由介電層厚度決定。此時(shí)，在介電層上制作的圖案即可由不同顏色顯示。除去頂部后，圖案就會(huì)消失，從而實(shí)現(xiàn)一次加密多次重復(fù)解密。該項(xiàng)研究為光學(xué)加密提供了一種更實(shí)用的途徑，可用于秘密信息傳遞...