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世界新材料技術發展報告

發布時間:2022-03-26 10:20      發布人:handler  瀏覽量:194

縱觀歷史,人類社會生產力的提升、政治軍事的變革,背后往往伴隨著新材料的誕生??梢哉f,人類文明的變革史,也是一部新材料發現與利用的歷史。近幾十年來,眾多高新技術產業和新興產業的發展,都以新材料技術的突破為前提和基礎,尤其是電子信息材料、新能源材料、生物醫用材料等極大地改變了人們的生產生活方式。當前,在全球新一輪科技與產業革命的大背景下,世界主要國家都將發展新材料作為主要的科技政策之一,旨在搶占科技與產業發展的制高點。2020年,全球政治經濟形勢發生了深刻復雜的變化,世界經濟重心調整、國際政治經濟格局加速變化及國際貿易摩擦持續上演,這些給中國新材料產業升級帶來巨大的挑戰,同時也帶來了新的機遇。在可見的未來,新材料與消費電子、新能源汽車、人工智能、5G、智慧城市、智能家居及數字經濟等新興產業的發展將會高度融合,新材料創新的步伐將會持續加速。


一、世界新材料技術及產業發展重要動向

近年來,綠色可持續發展、生態環保意識的增強對新材料發展提出了更高要求,新材料產業加速向高端化、綠色化及智能化方向轉型升級。2020年,在國家政策和下游市場的雙重推動下,中國新材料產業持續保持穩定增長的態勢。據中商產業研究院整理的數據顯示,2019年,中國新材料產業總產值為4.5萬億元,初步估算2020年全國新材料產值超6萬億元。2020年,逆全球化的陰霾依舊濃重,針對某些國家和地區的科技遏制仍在不斷上演,極大限制了這些國家和地區的高技術發展。與此同時,新冠肺炎疫情的爆發給全球高技術供應鏈帶來極大威脅。在此背景下,世界各國繼續保持對新材料研發的高度關注,旨在以此推動電子信息、5G通信、新能源和生物醫療等產業的發展變革。

(一)發達國家針對新材料領域展開新一輪布局

當前,世界主要國家普遍面臨人口老齡化、環境資源惡化及經濟發展緩慢等諸多挑戰。從全球范圍來看,科技強國無一不在積極部署人工智能、先進制造、新能源和生物醫療等前沿技術領域,致力于通過科技發展解決人口、環境和經濟等方面的難題。新材料作為發展前沿技術的基礎,更受到世界各國的廣泛重視。2020年,美歐日等科技強國和地區出臺的科技戰略或規劃中,都將新材料作為未來的優先研發事項,以支撐新興產業發展。

(1)美國圍繞材料、化學領域制定新研究計劃

2020年7月,美國國家科學基金會先后宣布向“材料研究科學與工程中心”和“化學創新中心”合計投入約2.6億美元,旨在通過與跨學科、多機構的團隊開展合作,應對相關領域的挑戰,推動新技術發展。其中,材料領域正在新建3個新的研究中心,研究方向包括三大方面:一是雜化、活性和響應材料,重點是合成具有自組裝和其他預設計特性的納米材料,主要方向涉及基于仿生技術和新型有機材料制造的納米機器,以及使雜化無機量子材料用于新的光電電路或器件;二是極端環境材料,重點是在生物環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境的具有空前物理性能的材料;三是生物合成材料,重點是將工程生物與人造聚合物結合,主要方向包括通過強大的計算機系統來理解、預測并最終控制材料的性質(在僅大于分子的微觀尺度層面),以及利用革命性生物技術工具來構建新的材料類別,使其以有效的方式對周圍環境刺激做出反應等。

此外,在化學領域將向材料領域3個中心的第2階段資助6000萬美元,研究方向同樣包括三大方面:一是合成有機電化學,通過新的合成化學、預測理論和表面化學,探索新型電化學反應在有機合成和材料化學中的應用;二是基因編碼材料,致力于合成受自然“工程機械”核糖體啟發的聚合物,使其既具有預設的多樣化序列,又有特定的長度;三是可持續納米技術,評估納米技術對環境和生物分子水平的影響,范圍涉及電池、電子產品和靶向藥物等。

(2)日本、英國持續關注新材料產業發展,致力于打造科技創新優勢

2020年5月,日本經濟產業省發布《2020年日本工業技術展望報告》,旨在重新評估日本技術創新停滯的基本問題,并提出2050年前重要技術的研發方向。該報告指出,一方面,日本需要進一步提升創新水平,向資源循環型經濟過渡,解決災害、傳染病等社會問題并增強工業競爭力;另一方面,近年來日本技術創新狀況并不理想,此次新冠肺炎疫情引起的危機也凸顯出超智能社會(社會5.0)準備的不足。為實現社會5.0,日本經濟產業省認為應將一定資源集中于作為所有領域基礎的材料技術領域。

2020年7月,英國商業、能源與產業戰略部正式啟動“可持續復合材料計劃”(Sustainable Composites),著眼于復合材料的全生命周期,確保其滿足未來飛機、汽車與風電渦輪機等領域的發展需要。該計劃將利用英國領先的復合材料領域的研究成果和技術開發能力,實現復合材料回收再利用行業的快速發展,使英國在這一總價值超過20億英鎊的市場中取得優勢。具體而言,該計劃一方面將致力于加快英國創新復合材料回收技術的開發,解決當前復合材料回收再利用難題;另一方面將利用蔬菜廢料、堅果殼和藻類等生物基材料,制成新型可持續發展的復合材料。

(3)對中國的影響與啟示

新材料是社會進步、經濟發展的基礎,更是保障國家科技安全的關鍵所在,其發展水平對一個國家而言意義重大。然而,中國關鍵基礎材料受制于人的狀況尚未得到徹底改善,“卡脖子”的風險依然突出。究其原因,主要在于中國新材料技術領域中存在創新機制不合理、產業轉化機制不完善、工程化周期長等問題。對此,中國應積極探索新材料的產業技術創新模式,借鑒其他國家和地區在新材料產業技術的創新機制、投資結構及模式、利益分享機制等方面的經驗,同時要充分結合國內具體現狀,加速建設具有中國特色的新材料產業技術創新范式。

此外,新材料種類繁雜、涉及面極廣且各細分新材料領域的發展階段、社會價值也各不相同,因此在創新模式的探索上也要“因材施策”。對于鋼鐵、有色、陶瓷、化工和建材等基礎性、技術成熟度較高的材料,應充分發揮市場作用,采取產學研合作型、企業聯盟型模式,推動建立以應用企業投入為主的研發機制,圍繞實際需求開展創新活動;對于特種合金、特種橡膠、碳纖維、半導體材料和特種玻璃等投入較大、回報期較長的戰略性材料,通過政府采購、軍方采購等形式,整合政府、軍方、科研機構和企業資源,構建高效的產用結合機制,實現研發制造與產品應用的反復迭代,破解“有材不敢用”的難題;對于石墨烯、納米材料和智能材料等前沿性材料,應強化高校院所的主體作用,發揮政府的引導作用,通過搭建平臺,吸引更多的社會力量參與技術創新及產業化。

(二)美歐韓高度關注原材料供應鏈安全問題

新材料在高技術發展中具有支撐性、引領性和顛覆性作用,在發展光電信息、新能源、生物醫療和節能環保等技術上具有至關重要的作用,是高技術產業供應鏈中的關鍵一環。2019年以來,逆全球化浪潮、日韓半導體貿易摩擦及新冠肺炎疫情等事件相繼爆發,給全球高技術產業供應鏈帶來巨大壓力。在此背景下,歐、美、韓等發達經濟體日益重視上游原材料的供應安全問題,開始致力于將關鍵材料的供應分散化、本土化,以避免本國技術產業受制于人,甚至受到毀滅性打擊。

(1)美國開展關鍵材料加工技術創新研究,以降低稀土材料對外依賴

2020年4月,美國能源部宣布提供1800萬美元的基礎研究資助,旨在推動關鍵礦物和稀土元素供應鏈的研究與開發,保障美國能源和國家安全。該研究將尋求根本性突破方法,提高對美國經濟運轉至關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供應。該研究關注方向包括以下3點:一是開展稀土物理與化學的理論和實驗研究,了解稀土元素及其電子結構在決定材料和分子的物理與化學性質中的作用,加速材料和分子設計及發現;二是通過假設驅動研究,開發新的設計和合成方法,以改進功能,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,美國能源部宣布向關鍵礦物與稀土研究領域增投3000萬美元,重點資助下一代關鍵材料的提取、分離和處理技術創新,旨在促進關鍵礦物和稀土元素供應鏈研發,降低美國關鍵原材料供應鏈中斷的風險。美國能源部希望通過該投資推進關鍵原材料供應鏈的研究、開發和部署,以增強美國的國防工業基礎。

(2)歐盟反思關鍵原材料供應問題,對關鍵原材料短缺發出警報

2020年9月,歐盟委員會修訂了關鍵原材料清單(List of CRMs),將稀土等30種具有重大經濟和戰略價值的原材料納入清單,同時公布行動計劃,力求擴大供應商網絡,減少對第三國的依賴。鑒于關鍵礦產對于歐盟制造業的戰略重要性,歐盟于2008年就啟動了《原材料倡議》(The Raw Materials Initiative),關鍵原材料清單制定就是該倡議的一項重要成果。自2011年起,歐盟每3年更新一次關鍵原材料清單。與2017年9月更新的名單(共計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。

歐盟委員會警告稱,歐盟成員國過度依賴關鍵原材料進口,如中國承擔了歐盟98%的稀土供應,土耳其承擔了98%的硼酸鹽供應,南非承擔了71%的鉑供應及比例更高的鉑族金屬供應。過度依賴原材料進口有可能威脅到歐盟航空、汽車和新能源等關鍵行業,并使歐盟面臨資源豐富國家供應鏈緊縮的威脅。此外,歐盟委員會提醒,用于制造電池和可再生能源設備的原材料短缺,有可能威脅歐盟到2050年實現“碳中和”的政治目標。

為擴大供應商網絡,歐盟委員會同時發布《提升關鍵原材料彈性:尋求安全可持續的供給之路》(Critical Raw Materials Resilience: Charting a Path Towards GreaterSecurity and Sustainability)報告,擬采取10項具體措施,包括組建“原材料聯盟”(European Raw Materials Alliance)。該聯盟的初步目標是為了增強歐盟在稀土和磁鐵供應鏈中的抗風險能力,未來還將擴展到其他原材料領域。此外,歐盟還計劃發展國際戰略合作伙伴關系,擬于2021年與加拿大、非洲相關國家展開合作,促進當地采礦業可持續發展并承擔社會責任,滿足歐盟對關鍵原材料的需求。

(3)韓國發布材料、零組件和設備2.0戰略,以削弱對日依賴

2020年7月,韓國政府發布“材料、零組件和設備2.0”(Materials,Parts andEquipment 2.0)戰略,大幅擴充戰略產品的供應鏈管理名錄,促進“制造業回流”,意圖打造零部件產業強國和尖端產業世界工廠。為此,韓國政府計劃在2022年前投資5萬億韓元,其中包括在2021年先對半導體、生物和未來汽車三大產業投入2萬億韓元。同時,韓國政府還將選拔100家具有發展潛力的核心戰略技術龍頭企業進行重點扶持,確保其具有國際競爭力。此外,韓國政府還將與多家企業、研究所簽署技術研發、招商引資的合作協議,助力新政策落地。

2019年,韓國政府為降低對日本進口產品的依賴,在半導體、顯示器等六大領域選定100種關鍵戰略產品,希望通過進口來源多元化、提高國產化程度等方式,確保其供應鏈穩定。根據“材料、零組件和設備2.0”戰略,韓國在此前基礎上,增加了與美國、歐洲、中國及印度等相關的戰略產品,總數增至338種,戰略產品的范疇也在此前的六大領域基礎上增加了生物、能源和機器人等新興產業。

(4)對中國的影響與啟示

新材料幾乎是所有高科技產業鏈的上游,新材料供應被“卡”住就相當于高科技產業從源頭上被“卡脖子”,后果不堪設想。新材料供應問題主要包括兩個方面:一是關鍵礦產供應安全問題,如鈷礦、稀土礦等戰略價值高的原材料對新能源汽車、電子信息等產業具有重要影響;二是高性能關鍵材料的供應安全問題,如半導體晶圓、高純靶材和碳纖維等涉及國計民生的關鍵材料,往往被國際上的少數科技巨頭把控。

近年來,美國對世界多國發起“貿易戰”,相繼在國際組織中“退群”,并在西方大肆渲染中國威脅論。在此背景下,中國關鍵原材料安全或將受到非常大的挑戰:一是中國獲取境外資源的外部風險不斷增加,存在“源頭斷供”的風險;二是美歐等國家和地區尋求建立原材料產業聯盟,或給中國關鍵原材料進出口帶來嚴峻挑戰。當前,新一輪科技革命孕育興起,正催生全球范圍內的新一輪產業競爭。作為新一輪科技革命的動力之源,關鍵礦產資源的國際競爭將越發激烈,未來甚至可能會重塑國家的科技競爭力。對此,中國應從國家戰略層面高度重視關鍵礦產安全問題,推動關鍵礦產資源安全與管理研究,從加強礦產資源勘探、提升循環利用率、參與全球礦產資源治理等環節,切實保障中國未來關鍵礦產資源的安全。

(三)先進信息材料研發進展迅猛,高功率與高效率成為發展重點

縱觀全球,信息產業已成為世界科技強國最重要的支柱產業之一。近年來,人工智能、量子信息及大數據等信息技術快速發展,不斷引領著新興產業的發展方向。2020年,在市場的強勁需求和科技政策的強力推動下,先進信息材料不斷涌現,為人工智能、量子信息和大數據等產業的發展提供了物質基礎。

(1)發達國家研制出新型高功率電子器件,推動信息技術快速發展

2020年3月,瑞士洛桑聯邦理工學院功率和寬帶間隙電子研究實驗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。當施加10~100伏電壓時,該器件能夠在皮秒內激發高強度“電火花”(等離子體),從而產生高功率、高強度的太赫茲電磁波。該技術結合了納米制造技術和等離子體技術,成功解決了傳統器件無法同時兼顧高功率和納米尺寸的問題。新型器件具有結構緊湊、成本低和易于制造等優勢,未來有望廣泛應用于安防、醫療和通信等領域。

2020年5月,美國海軍研究實驗室(United States Naval ResearchLaboratory,NRL)研發出一款名為“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,其速率快慢的關鍵在于采用了氮化鎵材料。新型器件利用量子隧穿效應,使電子以極快的速度傳輸。在隧穿過程中,電子會穿過物理壁壘,從而產生電流。此外,氮化鎵基“諧振隧穿二極管”打破了傳統器件的電流輸出與開關速率紀錄,能使應用程序獲取毫米波范圍內的電磁波及太赫茲頻率。目前,研究團隊與俄亥俄州立大學、懷特州立大學(Wright State University)聯合致力于繼續改進“諧振隧穿二極管”設計,使其在不增加電能損耗的同時繼續提升電流傳輸速率。

(2)新型半導體材料及器件研發取得突破性進展

2020年5月,北京大學制備出高密度高純半導體陣列碳納米管材料,并在此基礎上首次實現了性能超越同等柵長硅基互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術的晶體管和電路,展現出碳管電子學的優勢。碳納米管集成電路批量化制備的前提是實現超高半導體純度、順排、高密度及大面積均勻的碳納米管陣列薄膜。長期以來,材料問題的制約導致碳管晶體管和集成電路的實際性能遠低于理論預期,甚至落后于相同節點的硅基技術至少一個數量級,是碳管電子學領域面臨的最大技術挑戰。該項工作突破了長期以來阻礙碳管電子學發展的瓶頸,首次在實驗上顯示出碳管器件和集成電路較傳統技術的性能優勢,為推進碳基集成電路的實用化發展奠定了基礎。

2020年6月,俄羅斯圣彼得堡國立信息技術、機械學與光學研究型大學宣布開發出世界上最緊湊的綠光半導體激光器。該半導體激光器產生的綠色相干激光可以很容易地被追蹤到,甚至在光學顯微鏡下用肉眼就能夠觀測到。新型半導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計還可有效囚禁受激發射的能量,從而為產生激光提供足夠高的電磁場放大率。該項研究對構造光芯片、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域的發展具有積極推動作用。

(3)對中國的影響與啟示

近年來,量子材料、二維材料及半導體材料等先進信息材料技術的突破使信息技術發展進入了飛躍階段。這些材料的應用將顛覆未來的信息技術和器件,如量子計算機、微納型芯片、超級存儲器及新型圖像傳感器等,在新能源、信息、生物醫療、人工智能和航空航天等領域具有非常廣闊的應用前景。中國信息材料雖然占領了中低端領域市場,但在高端領域依然無法與美日等發達國家競爭。對此,中國應從三個方面采取措施:一是加大對高校、科研院所、企業及公共平臺的引導和支持,不斷積累技術經驗,夯實基礎;二是提高自主創新能力和產業核心技術,如突破高端芯片制造技術,打破西方的壟斷和封鎖;三是加大基礎研究,開發各種顛覆性應用技術,實現產業化突破。

(四)顛覆性新材料技術不斷涌現,帶來高技術產業新變革

新材料技術的發展與基礎科學理論的突破息息相關。近年來,人工智能、機器學習及凝聚態物理等領域的發展,使得許多顛覆性新材料技術不斷涌現,未來有望帶來高技術產業的新變革。2020年,顛覆性新材料技術主要進展如下。

(1)機器學習技術推動新材料研發新變革

2020年3月,美國能源部勞倫斯利弗莫爾國家實驗室開發出一種預測材料性能的新方法。該方法旨在利用機器學習技術加速從新材料發現到大規模部署的過程,減少了測試和評估候選材料性能的工作量,大幅減少了材料部署的時間。以三氨基三硝基苯(TATB)為例,該材料是一種鈍感高能炸藥,合成反應條件的微小變化就可能引起較大的性能變化。因此,測試和評估TATB材料的性能需要做大量的工作。新方法利用計算機視覺和機器學習技術,可對TATB原材料粉末的掃描電子顯微鏡圖像進行分析,從而避免繁多的物理測試。研究結果表明,與專家評估和儀器分析等常規方法相比,新方法可以減少約24%的預測誤差。

2020年9月,日本國立材料科學研究所(National Institute for MaterialsScience,NIMS)研發了一種機器學習工藝,可以制備具有特定及所需機械性能的鋁合金。鋁合金是一種輕質節能材料,主要由鋁制成,同時也含有鎂、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各種應力時的彈性不同。然而,在生產鋁合金時需要驗證各種元素與制造工藝的組合,這一過程非常耗時且成本昂貴。為解決該問題,研究人員將已知的鋁合金數據庫數據輸入到機器學習模型中,從而訓練模型理解合金不同機械性能與不同組成元素之間的關系,以及與生產過程中應用的熱處理類型之間的關系。一旦具有足夠的數據,該模型就可以預測生產具有特定機械性能的新合金需要何種元素和生產工藝,而且所有上述工作都無須人工監督。新工藝有助于加快鋁合金等新材料的研發速率。

(2)前沿新材料技術不斷取得突破

超材料方面,2020年11月,中國香港城市大學研究人員采用真空液體填充技術在聚合物薄殼中注入液態金屬鎵(Ga),首次制備了液態金屬聚合物核殼結構的微點陣力學超材料。目前的金屬微點陣力學超材料具有超輕、高比強度等特性,在無人機機翼、小微型電子器械等領域具有很好的應用前景。但是,這類超材料的韌性較差,在服役過程中容易脆斷失效。中國香港城市大學研發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金屬的特性,實現了類似科幻電影中復雜形態液態金屬的自我修復功能,在生物醫療器械、微電子器件及微型機器人等領域有巨大應用潛力。

二維材料方面,2020年9月,受美國DARPA和美國空軍研究實驗室(Air ForceResearch Laboratory,AFRL)等資助,斯坦福大學研究人員利用二維材料制備出超薄異質結構,并表現出優異的隔熱性能。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,形成多層超薄異質結構,通過向石墨烯層施加電壓,加熱異質結構,并用拉曼光譜測量每層材料的溫度。測試結果顯示,該二維材料異質結構的熱導率與290~360納米厚的二氧化硅相當。該項研究將促進二維材料在熱電器件領域的應用。該異質結構也有望用作電子器件的超輕隔熱罩。

(3)對中國的影響與啟示

近年來,全球前沿新材料研究熱度持續上升,新材料開始實現從基礎支撐到前沿顛覆的跨越。一些對未來具有顛覆意義的前沿新材料,如石墨烯、量子點、超材料、仿生智能材料、超導材料、柔性材料及光催化材料等不斷得到開發和應用,產業化進程也在加速。美、日、韓等科技強國為搶占新一輪工業革命制高點,紛紛制訂了相應的發展計劃和預期目標,并實施相應策略,推進前沿新材料跨越式發展。中國前沿新材料的發展基本與世界同步,特別是近年來中國在引領支持、研發投入、人力資源配置及創新體制改革等方面不斷加大力度,前沿新材料發展非常迅猛,某些領域已躋身全球強國之列。

但同先進國家相比,中國前沿新材料在自主創新、新產品開發應用、研究范式變革和高端產業化等方面還有一定差距。對此,中國應對全球前沿材料發展態勢有更充分的認識和把握,并重點在以下四個方面實現標志性突破:一是加強材料科技前沿性基礎研究,國家在前沿基礎研究方面應發揮引領、支持和協調的重要作用,應確定部門職責,推進跨部門跨領域全面合作,保證研究規范有序及高效地運作,取得高質量、高水平、強時效性的研究成果;二是加強創新體系建設,強化戰略部署和戰略管理,充分做好新材料研發的頂層設計,培養和打造一批具有國際先進水平的研究機構或高新企業,組合人才、資源和研發基礎等優勢,努力實現一批前沿性新興技術的突破;三是完善產學研機制,采取政策導向和財經支持,加速新材料研究成果轉化和產業化;四是提高自主創新能力,推進研究范式變革。

二、高性能結構材料

高性能結構材料是指具有高強度、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、交通運輸、能源動力及國家重大基礎工程建設等領域的重要物質基礎。近年來,高性能結構材料的發展趨勢主要有三點:一是輕量化,這與全球低碳、可持續發展思潮同步;二是結構功能一體化,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,如具備高強度、高韌性。

(一)金屬結構材料

金屬結構材料是指與傳統結構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,硬質材料等,以及高端特殊鋼、新型鋁材等。2020年,高性能金屬結構材料領域取得以下幾個方面的進展。

(1)鋁合金研究取得多項突破

2020年2月,美國電動車制造商特斯拉(Tesla)研發出一種新型鋁合金,解決了傳統鋁合金強度與導電性不能兼備的難題。商用鑄造鋁合金可分為兩類,一類具有高強度,另一類具有高導電性。對于某些應用場景,如電動汽車內部的部件,要求同時具有高強度和高導電性。此外,由于需要通過鑄造工藝制備這些電動汽車部件,因此不能使用鍛造合金。此次特斯拉借鑒火箭用材的靈感,研發出的壓鑄電動汽車零部件新型鋁合金,屈服強度可達90~150兆帕,導電性可以達到40% IACS(國際退火銅標準)至60% IACS,兼具高強度和高導電性。從Model S和Model X車身上采用的大量鋁材可以看出,新鋁合金材料未來或可應用到特斯拉旗下產品中。

2020年10月,澳大利亞莫納什大學(Monash University)提出一種改進鋁合金疲勞強度的組織設計新概念——“疲勞失效”法,即通過修改鋁合金的微觀結構使其能自行修復弱點。研究人員稱,高強度鋁合金疲勞性能差的原因是存在“無沉淀區”薄弱環節。該環節中交變應力會導致材料微塑化或局部塑化。而塑化會催生疲勞裂紋,這些裂紋逐漸擴展,最終導致材料斷裂。研究人員使用商用鋁合金,利用在疲勞早期循環中注入材料的機械能來修復“無沉淀區”中的弱點,極大地延遲了疲勞裂紋的產生,使得高強度鋁合金的疲勞壽命提高了25倍。

(2)美印共同開發高性能鎂合金,可替代鋼和鋁合金用作汽車、航空零部件

2020年6月,印度理工學院馬德拉斯分校(Indian Institute of TechnologyMadras)、美國北得克薩斯大學(University of North Texas)和美國陸軍研究實驗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,經過熱機械加工技術(嚴重塑性變形和老化處理),共同開發出一種工程鎂合金。該合金強度高、延展性好,可在較高的應變速率下實現超塑性,從總體上減少制造時間、精力和成本。同時,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,作為最輕的節能型結構材料,鎂合金具有強大的潛力,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“超級鋼”,可用于制造輕型汽車和軍用車輛等

2020年6月,中國香港大學(University of Hong Kong,HKU)和美國勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Lab,LBNL)的研究團隊通過增加材料屈服強度,突破了超高強度鋼的屈服強度-韌性組合極限,成功研制出具備極高的屈服強度、極佳韌性和良好延展性的“超級鋼”?!俺変摗北饶壳昂娇蘸教煊玫鸟R氏體鋼效能更高,而成本卻只有其1/5。此外,研究人員還在“超級鋼”的結構方面取得了重大發現?!俺変摗蓖ㄟ^一種新型“高強度誘導多層分層”增韌機制,具備了一種獨特的抗斷裂性特征,其中主斷裂表面下形成了多個微裂紋,而微裂紋能夠有效吸收來自外部作用力的能量,使“超級鋼”的韌性高于現有鋼材。該研究成果為實現“超級鋼”的工業化應用奠定了基礎,未來有望應用于制造高級防彈衣、高強橋梁纜索以及航空航天領域、建筑領域的高強螺栓和螺母。

(4)美國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一種新型形狀記憶合金(SMA)輪胎,可滿足未來火星巡視器探索火星表面復雜地形的需求。該形狀記憶輪胎由網狀織物金屬制成,能夠“記住”自己最理想的形狀,可在火星惡劣的環境下實現可逆的材料變形,同時又不犧牲性能。測試結果表明,SMA輪胎的優越抓地力滿足或超過所有牽引性能的要求,并將賦予巡視器驅動能力,以跨越不同的地形。未來,研究人員將繼續推進SMA技術的成熟以使其應用于火星車車輪上。

(5)中國研究人員研發出一種前所未有的輕質量液態金屬材料

2020年2月,中國清華大學研究人員在全球范圍內首次提出“輕質液態金屬”概念,并發明了一種前所未有的輕質量液態金屬材料。該材料可塑性強、無害(良好的生物安全性)且密度輕,在溫度調節下能保持良好的材料一致性和導電性,并可在完全柔軟和堅硬的狀態之間自由切換,將液態金屬的特性發揮到極致。液態金屬是金屬材料中的新貴,有可能逐漸替代現有的材料,制造出突破性產品,將成為繼工程塑料、輕合金之后的第三代新材料,未來可廣泛應用于消費電子產品、鋰電池、3D打印、柔性智能機器和血管機器人等領域。

(二)無機非金屬材料

無機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、硼酸鹽等物質組成的材料,常見種類包括二氧化硅氣凝膠、水泥、玻璃和陶瓷等。無機非金屬材料是現代材料當中必不可少的,尤其在現代建筑中具有不可忽視的地位。2020年,無機非金屬材料領域取得以下幾個方面的進展。

(1)超輕、超薄、超硬玻璃的問世促進可折疊設備的發展

2020年1月,美國創新公司Akhan Semiconductor利用金剛石的堅硬特性研發出一款名為Miraj的金剛石玻璃,能為可折疊設備制造超輕、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,也可以被噴涂在沒有經過處理的柔性玻璃上,且不會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,可以讓手機保持較低的溫度,從而延長智能手機電池和組件的使用壽命。Akhan Semiconductor公司表示,在智能折疊屏手機上使用金剛石玻璃還有很長的路要走,Miraj玻璃要到下一代柔性玻璃問世之后才會有發揮的空間。

2020年7月,日本電氣硝子株式會社(Nippon Electric Glass,NEG)成功研發出一款名為Dinorex UTGTM的化學強化專用玻璃。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1.5毫米,可用于制造折疊顯示屏。長期以來,在生產較薄的化學強化玻璃時,需要對原始厚玻璃板進行薄化處理,而Dinorex UTGTM在玻璃成型工藝中直接生產出較薄的玻璃板,省去了薄化處理環節,達到減少有害物質使用量、削減成本的效果。

(2)美國賓夕法尼亞大學開發出可在火星大氣中漂浮的輕薄納米氧化鋁板

2020年4月,美國賓夕法尼亞大學研究人員開發出可在火星稀薄大氣中漂浮的輕薄氧化鋁板。該氧化鋁板內部為中空結構,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度。當暴露在強光下時,氧化鋁板被加熱的頂部可與底部形成溫差,引導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僅與一只果蠅相當,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傳感器,進一步提高其載重量。

(3)美國空軍開發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,美國萊特·帕特森空軍基地(Wright-Patterson Air Force Base)開發出一種用于制造陶瓷基復合材料的陶瓷先驅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,由固體納米顆粒內核和圍繞在其周圍像毛發一樣的聚合物外殼組成,大小相當于一個小型病毒,可用于制備適用于噴氣發動機和高超聲速飛行器高溫部件的高性能陶瓷纖維和復合材料。新材料采用了一種含硅無機聚合物,分子結構類似于硅樹脂,但卻是由硅和碳原子構成。當高溫加熱時,這種聚合物中的硅和碳可產生化學反應轉變成碳化硅陶瓷。以往即使采用最先進的工藝,陶瓷也必須經過6~10次循環滲透才能達到所需密度,而采用這種新型材料有望將滲透循環次數減少約一半,從而實現更快的生產速度和更低的生產成本。

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

2020年9月,俄羅斯托木斯克理工大學(Tomsk Polytechnic University,TPU)研究人員開發出一種新工藝,可以在非真空環境下生產碳化鎢、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自絕緣氣態介質,這極大地簡化了工藝過程,并降低了能源消耗。該技術的另一個優點是可以使用磨損的鉆頭、用過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,目前在生產效率和經濟性上尚無同類的生產技術。未來,研究人員計劃進一步優化技術工藝,將該方法運用到廢物處理方面。

(三)高分子材料

高分子材料是由相對分子質量較高的化合物構成的材料,包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠黏劑和高分子基復合材料。高分子材料因質量輕、強度高、耐溫和耐腐蝕等優異的性能,廣泛應用于航空航天、交通運輸、醫療和消費電子等領域。2020年,高分子材料領域取得以下幾個方面的進展.

(1)美國陸軍開發出先進的雙聚合物3D打印材料

2020年2月,美國陸軍研究實驗室研究人員采用無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絲。利用該種雙聚合物長絲可在現有的低成本3D打印機上生產出適用于戰場使用的堅固零部件,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,因材料和工藝問題,當前普遍使用的3D打印會出現零部件易碎、機械性能較差、退火過程中發生過度變形等問題。但是,雙聚合物長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度。

(2)德國研發出一種仿生纖維黏合材料,在保持黏合性的同時具有超疏液性

2020年4月,德國馬克斯·普朗克研究所(Max Planck Institute,MPI)受壁虎啟發開發出一種彈性纖維膠黏劑。該膠黏劑結合了蘑菇狀纖維的強黏附性和纖維尖端雙凹角幾何形狀的疏水性,不僅對低表面張力液體表現出超強的疏液性,同時又保持了超強的黏合性能。研究人員表示,強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損失黏合力,如攀爬機器人或可使用這種黏合材料來攀爬濕玻璃板。此外,該彈性纖維膠黏劑還具有高度可變形性和拉伸性,能夠抵抗較強程度的物理作用,大大擴展了實際應用范圍。

(3)中國研制出一種新型納米纖維素仿生結構材料,綜合性能突出

2020年5月,中國科學技術大學研究人員成功研制出一類天然納米纖維素仿生結構材料,解決了傳統結構材料難以兼具高強度與高韌性的問題。該材料具有輕質高強韌的優異性能,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。新材料的輕質高強韌性主要來自材料微米級層狀結構和納米三維網絡結構設計。纖維素納米纖維內部高度結晶可以提供極高的強度,纖維之間通過大量氫鍵等可逆相互作用網絡進行結合,在外力作用下這種高密度的可逆相互作用網絡可以迅速解離和重構,吸收大量能量,使材料在具有高強度的同時實現高韌性。此外,該材料還具有高尺寸穩定性、抗熱震、抗沖擊及高損傷容限等多種優異性能,在輕量化抗沖擊防護及緩沖材料、空間材料、精密儀器結構件等領域具有廣闊的應用前景。

(4)以色列開發出柔性高分子材料,有望用于制造機器人、假肢及可穿戴設備

2020年6月,以色列理工學院研究人員開發出一種柔性高分子材料。該材料在遭受刮擦、割傷或扭傷時能夠“自愈”,將其與傳感器相結合,有望獲得具有柔性和自我修復能力的電子皮膚,未來可用于制造機器人、假肢和可穿戴設備。在該項研究中,研究人員首先研發出柔性高分子材料和彈性體,該彈性體被拉伸至原長度的11倍也不會斷裂。隨后研究人員利用彈性體開發電子皮膚,并將選擇性感應、防水、自我監控和自我修復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能夠監控環境變量,如壓力、溫度和酸度。同時,該系統還包含能監視系統電子部件損壞的類神經元組件,以及讓受損部位加速自我修復過程的其他組件。

(5)韓國科學技術研究院開發出高透高導塑料新材料

2020年6月,韓國科學技術研究院成功研制出適用于透明電極的高導電、高透明性高分子塑料新材料。當前,透明電極中的導電高分子材料存在厚度增加不透明度也增加的問題。此次研究人員開發出與傳統高分子材料具有不同化學結構的“自由基高分子”材料,由此制成的導電高分子膜厚度在1微米時透明度達96%,相比傳統的10%透明度提升了近10倍?!白杂苫叻肿印辈牧嫌型麘糜谖磥硇乱淮鷥δ懿牧?、透明顯示材料、柔性電池和生物電化學等領域。

(6)日本三菱化學研發出可在海水中降解的塑料袋

2020年8月,日本三菱化學(Mitsubishi Chemical Holdings)研發出可在海水中降解的塑料袋。新塑料袋是根據微生物分解土壤中垃圾的相同機理研發,采用甘蔗等植物性成分制成,僅需1年左右的時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。三菱化學希望通過推廣使用這種塑料袋來幫助解決海洋塑料垃圾問題。但是,由于制造技術尚未普及,該種塑料袋的價格是普通塑料袋的6倍以上。

(四)復合材料

復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料,具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良和耐化學腐蝕等優點,已逐步取代木材及金屬合金,廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣及建筑等領域。隨著全球低碳經濟、綠色經濟的發展,復合材料呈現出低成本化、高性能化、可循環利用的發展趨勢。2020年,復合材料領域取得以下幾個方面的進展。

(1)瑞典皇家理工學院開發出“變形”碳纖維復合材料

2020年5月,瑞典皇家理工學院(KTH Royal Institute of Technology,KTH)開發出一種由兩片摻雜鋰離子的碳纖維和一塊固體電解質薄片組成的碳纖維復合材料。當接入低壓直流電時,鋰離子會從碳纖維的一層遷移到另一層(通過電解液),從而使碳纖維的放電層收縮,充電層膨脹,因此整塊材料會向一側彎曲。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,鋰離子就會向相反的方向遷移,且不同的電壓將決定復合材料是恢復到中性的平面形狀,還是向另一側彎曲。該復合材料質量雖輕,但硬度高于鋁,進一步開發后或可應用于制造不需要副翼的變形飛機機翼,或是在不同風速下改變形狀以實現最大效率的風力渦輪機葉片。

(2)中美研發出高阻尼、高吸能與形狀記憶兼得的鎂基仿生復合材料

2020年5月,中國科學院金屬研究所與美國加州大學伯克利分校、中國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構的原理,將鎂熔融浸滲至增材制造的鎳鈦合金骨架,構筑成輕質、高強度、高阻尼、高吸能鎂-鎳鈦仿生復合材料。微觀三維互穿仿生結構不僅實現了鎳鈦增強相與鎂基體在性能優勢上的互補與結合,而且賦予材料形狀記憶與自修復功能。新型仿生復合材料突破了強度和阻尼性能之間的相互制約關系,實現了鎂合金的強度、阻尼和能量吸收效率等多種性能的良好結合,綜合性能優于目前已知的工程材料,有望成為精密儀器、航空航天等領域的新型阻尼減震材料。

(3)荷蘭開發可用于航空航天結構件損傷檢測的3D打印復合材料

2020年5月,荷蘭Brightlands材料中心開始研發具有自感知功能的3D打印復合材料,以用于監控航空航天、建筑和醫療保健等領域的關鍵結構狀態。該材料是一種碳纖維增強的聚合物基復合材料,可根據連續纖維電阻感應變化,提供自感應功能。目前該材料還在研發過程中,研究人員將首先驗證其在飛機和建筑領域提供結構健康監測(SHM)的可行性。同時,研究人員還在將連續碳纖維的自感知能力與增材制造技術相結合,擬使SHM應用更具成本效益,從而能夠更廣泛地擴展到新應用中。

(4)美國北卡羅來納州立大學研發出具有優異輻射屏蔽性能的復合材料

2020年5月,美國北卡羅來納州立大學(North Carolina State University,NCSU)的一項新研究表明,一種由嵌入三氧化二鉍顆粒的高分子化合物組成的復合材料具有巨大的潛力,可以替代傳統的輻射屏蔽材料,應用于太空探索、醫學成像和放射治療等領域。鉛等傳統的輻射屏蔽材料通常價格昂貴、重量大且對人體健康和環境有害。在該項研究中,研究人員使用紫外線固化方法而非耗時的高溫固化法創建了高分子化合物樣品,其中三氧化二鉍含量高達44%。隨后,研究人員對樣品進行了測試,結果表明該化合物重量輕、強度高,能有效屏蔽諸如伽馬射線等電離輻射,并且可以快速生產。

(5)瑞士研發出新型磁致感應形狀記憶復合材料

2020年8月,瑞士保羅謝爾研究所(Paul Scherrer Institute,PSI)和蘇黎世聯邦理工學院(Eidgen?ssische Technische Hochschule Zürich,ETHZ)合作研發出一種由磁流變液和聚二甲基硅氧烷(PDMS)組成的新型復合材料,該材料可以在磁場下表現出形狀記憶特性。研究人員利用水滴、甘油和羰基鐵顆粒組成磁流變液,以不同的體積分數(10%和40%)分散在PDMS中制成軟磁性形狀記憶復合材料。實驗結果表明,添加體積分數為40%的磁流變液使PDMS的儲能模量提高近30倍,無須加熱即可實現快速可逆的形狀記憶。該磁性形狀記憶復合材料在生物醫學、航空航天、電子和機器人等領域有顯著的應用潛力,如在醫學領域進行血栓微創手術時可改變導管的硬度,減輕副作用;在太空探索領域可作為自行充氣或折疊的輪胎安裝在探測漫游車上;在電子設備領域可用于制造柔性電源、數據電纜或可穿戴設備。

三、先進功能材料

功能材料是指通過光、電、磁、熱、化學和生化等作用后具有特定功能的材料。進入21世紀以來,功能材料成為新材料領域研究的重點,是國民經濟、社會發展及國防建設的基礎和先導,推動信息通信、能源、航空航天、生物醫療和國防等領域的發展。近年來,先進信息材料、新能源材料、生物醫用材料和節能環保材料等先進功能材料發展迅猛,前沿、顛覆性技術不斷涌現,給全球可持續發展、產業升級與變革等帶來了深刻影響。

(一)先進信息材料

先進信息材料是為實現信息探測、傳輸、存儲、顯示和處理等功能使用的材料,是人類社會步入信息時代的物質基礎,也是科技創新和國際競爭最為激烈的技術領域。近年來,隨著人工智能、量子信息和大數據等技術的發展,新型信息器件不斷涌現,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展。2020年,先進信息材料領域取得以下幾個方面的進展。

(1)美國北卡羅來納州立大學研制出超薄可拉伸電子材料,具有氣體滲透性

2020年5月,美國北卡羅來納州立大學研制出一種超薄、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來制造具有均勻孔分布的可拉伸聚合物薄膜,通過將薄膜浸入含有銀納米線的溶液中進行涂層,然后對材料進行熱壓,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,因此在出汗和長期磨損的情況下,該材料也表現出出色的穩定性。研究人員表示,這種薄膜在導電性、光學透光性和水蒸氣滲透性方面表現出良好的組合特性。研究團隊創建的第一個原型是可安裝在皮膚上用作電生理傳感器的干電極。

(2)韓國開發出新型導電黏合劑,可將集成電路密度提高逾20倍

2020年5月,韓國成均館大學(Sungkyunkwan University,SKKU)和三星電子合作開發出一種導電黏合劑,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備。通過這項研究,研究人員已成功將數千個比頭發還細的30微米×60微米微型LED組裝在低溫低壓的柔性板上。此外,該項技術可以實現在比信用卡更小的基板上排列60萬個相距100微米的微型LED。與目前市場上的其他黏合劑不同,該導電黏合劑能夠應用于可彎曲和展開的柔性基板上,這意味著其將為生物醫學設備的進一步小型化鋪平道路。

(3)韓國三星宣布發現新型半導體材料非晶氮化硼

2020年7月,韓國三星電子宣布,三星高級技術學院(Samsung AdvancedInstitute of Technology,SAIT)與蔚山國家科學技術學院(UlsanNational Institute of Science and Technology,UNIST)、劍橋大學兩家高校合作,成功制備出一種3納米厚的無定型氮化硼薄膜(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,極度接近于空氣的介電值1,并且表現出優異的機械、高壓穩定性。研究人員表示,無定型氮化硼薄膜具有極低的介電常數、高擊穿電壓和出色的金屬阻擋性能,可實現更小巧、更緊湊的電子解決方案,推動器件進一步小型化發展。

(4)俄羅斯南烏拉爾州立大學研發出環保且可應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(South Ural State University)的研究人員合成了適用于制造壓力、溫度、電場和磁場傳感器的陶瓷材料。當前,許多用于制造傳感器的現代材料都含有鉛,其廣泛使用會造成環境污染并對人體健康產生負面影響,無法大規模生產。而南烏拉爾州立大學研究人員通過研究基于鉍鐵氧體的陶瓷材料的相變結構,發現該種材料對外部因素(溫度、電勢、磁場、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,對環境更加友好,可能成為未來傳感器材料的發展方向。

(5)日本東京大學開發出一種磁性材料,可提供更高的存儲密度

2020年10月,日本東京大學(The University of Tokyo)研究人員開發出一種磁性材料——ε氧化鐵。該磁性材料加上特殊的訪問方法,可以提供比以往更高的存儲密度。研究人員稱,當施加外部磁場時,ε氧化鐵會在高頻波情況下發生磁方向翻轉,隨后數據就被鎖定在磁帶存儲器中。此外,ε氧化鐵材料的魯棒性意味著數據存儲時間將比其他介質更長,并且可以在低功耗下運行,未來有望應用于需要進行長期存儲的應用中。研究人員希望能在未來5~10年內開發出基于新磁性材料的磁帶存儲器,其數據容量可達當前容量的10倍。

(6)麻省理工學院研究表明“金屬化”金剛石可制備新型量子探測器和傳感器

2020年10月,美國麻省理工學院和新加坡南洋理工大學(NanyangTechnological University,NTU)利用量子力學和機械變形的計算機模擬發現,使金剛石納米針變形,會使其導電性從絕緣體變為半導體,再變為高導電性金屬。電子在材料中移動的難易程度是以材料的帶隙來衡量的,帶隙越大,電子越難通過。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,當對金剛石納米針施加外力時,可以使其產生應變。施加的外力越大,應變越大,帶隙就越窄,從而使金剛石轉化成優良的導電體。研究人員稱,“金屬化”后的金剛石可以制造新型量子探測器和傳感器。

(二)新能源材料

新能源材料是指支撐新能源發展,具有能量存儲和能量轉換功能的材料,主要包括燃料電池材料、鋰離子電池材料、太陽能電池材料、相變儲能材料、金屬氫化物鎳電池材料和半導體照明發光材料等。近年來,隨著氣候變化、能源危機等全球性問題進一步凸顯,新能源材料成為世界各國重點關注的技術領域之一,政策扶持與資金支持不斷加碼。2020年,新能源材料領域取得以下進展。

(1)澳大利亞昆士蘭大學在量子點太陽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研究人員開發出能量轉換效率高達16.6%的新型量子點太陽能電池,比此前世界紀錄高出近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離子交換策略,提供了穩定的基于鈣鈦礦的光伏和光電子學的途徑。研究團隊通過控制量子點上的表面功能化學物質,開發出一種新的表面工程方法,不僅可以穩定量子點,還可以保持電子通過的路徑平滑,使量子點將太陽能轉換為電能的效率大大提高。此外,由于這些量子點具有柔韌性,并且能夠以較低成本大規模打印,因此可將其用作透明皮膚,為汽車、飛機、房屋和可穿戴設備提供動力。

(2)美國西北太平洋國家實驗室設計出一種新型納米結構,可用于制造高性能鋰離子電池陽極

2020年4月,美國能源部西北太平洋國家實驗室(Pacific NorthwestNational Laboratory,PNNL)研究人員設計出一種新型納米結構,能夠賦予硅非凡的強度,使其有望成為鋰離子電池的陽極材料。近年來,隨著對更高能量密度電池的需求不斷增加,石墨基電極亟待升級,而硅被認為是一種很好的升級版材料。但硅在遇到鋰時會大幅膨脹,可能會導致鋰電池陽極破裂粉化。為解決這一難題,研究人員將細小的硅顆粒聚集到直徑約8微米的微球中,形成一種相當于紅細胞大小的分層多孔硅結構。這種結構就像海綿一樣,內部有空間吸收膨脹壓力。研究表明,這種分層多孔結構具有出色的電化學性能、機械強度和結構完整性,可用于制造高性能鋰離子電池陽極,其可容納的電荷也是典型石墨基陽極的兩倍。

(3)瑞典林雪平大學研發出穩定的鈣鈦礦——有機分子復合薄膜,可用于開發高效發光二極管

2020年4月,瑞典林雪平大學(Link?ping University,LiU)與中國、英國和捷克組成的國際團隊合作研制出一種效率高、穩定性強的鈣鈦礦發光二極管(Light Emitting Diode,LED)。鈣鈦礦是當今熱門的半導體材料之一,其獨特的晶體結構使其具有卓越的光學及電子特性,并且制造起來難度小、成本低。然而,當前大多數鈣鈦礦LED并不是特別穩定,無法投入實際應用。此次研究團隊采用鉛、碘和有機物質甲脒制備了新型鈣鈦礦材料,并將鈣鈦礦材料嵌入到有機分子基體中,最終形成一種復合薄膜。其中,末端有兩個氨基的有機分子有助于穩定鈣鈦礦的結構,鉛和碘有助于提升鈣鈦礦的發光性能。測試結果表明,新型鈣鈦礦LED的效率為17.3%,服役壽命超過100小時。

(4)美國愛達荷國家實驗室研發出新型氧電極材料,可使電化學電池實現“三重傳導”

2020年5月,美國愛達荷國家實驗室(Idaho National Laboratory,INL)研發出一款可用作電化學電池的新型氧電極材料。該材料是一種鈣鈦礦化合物,此前氧電極只傳導電子和氧離子,而新型鈣鈦礦能夠進行“三重傳導”,即可傳導電子、氧離子和質子。在實際應用中,能夠進行“三重傳導”的電極會更快、更高效地發生反應,因而可以在保持良好性能的同時,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化為氫,當電力需求增加時,該電池能夠反過來將氫轉換成電,用于電網供電。未來,研究人員希望繼續將創新材料與前沿制造工藝相結合,繼續改進該款電化學電池,以使其可以應用于工業化生產。

(5)英國研發石墨烯基催化劑,可制成使用壽命更長的氫燃料電池

2020年8月,英國倫敦瑪麗女王大學(Queen Mary University ofLondon)和倫敦大學學院(University College London)的研究團隊通過一鍋合成法,生產出包裹著鉑納米顆粒的高質量石墨烯,并將其用于研發氫燃料電池催化劑。氫燃料電池在催化劑作用下使氫和氧結合,將化學能轉化為電能,是一種高效且環保的能源。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現商業化的一大難題。為解決該問題,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,不過此種材料耐用性很差,大大縮短了當前燃料電池的使用壽命。研究表明,石墨烯具有耐腐蝕性、表面積大且導電性高等優點,可能是氫燃料電池催化劑的理想支撐材料。與現有的催化劑相比,石墨烯基催化劑更耐用且性能相當,可用于大規模生產,有望在能源領域得到廣泛應用。

(6)美國用回收塑料制備儲能納米材料,可用于制備電動汽車超級電容器

2020年9月,美國加州大學河濱分校研發了一種方法,以回收蘇打水瓶等塑料,并將此類塑料制備成可以用來存儲能源的納米材料。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。在與黏結劑和導電劑混合后,該材料被干燥,并被組裝成硬幣電池芯類型的雙層超級電容器。當在超級電容器中測試該材料時,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,以及當離子被電化學反應吸收到材料表面時產生的氧化還原反應偽電容的特性。雖然此電容器存儲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用到更多領域。

(7)英國發現可將太陽能存儲數月乃至數年的特殊材料

2020年12月,英國蘭開斯特大學研究人員發現一種可將太陽能存儲數月乃至數年的特殊材料——金屬有機框架(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合材料。MOF材料通過添加吸收光的化合物偶氮苯分子,最終形成的復合材料能在室溫下將吸收的紫外線能量儲存至少4個月,然后再釋放出來。目前大多數光響應材料僅能存儲幾天或幾周能量,而MOF材料成為該領域的重大突破。研究人員稱,該材料仍需要做一些改進才能實現商業化,未來有望用于為汽車風窗玻璃除冰或為家庭和辦公室提供額外的熱量。

(8)德國研發出當前全球最高轉換效率的鈣鈦礦電池

2020年12月,德國海姆霍茲柏林材料所研發出目前全球最高轉換效率的鈣鈦礦—硅疊層太陽能電池,轉換效率高達29.15%。此外,該電池即使在沒有封裝的情況下也能提供300小時的穩定電量。在該項研究中,研究人員為鈣鈦礦—硅疊層電池開發了一種特殊的電極接觸層,用于光學耦合頂部和底部電池,同時還改進了界面層。在鈣鈦礦—硅疊層電池中,硅將大部分太陽光的紅外/近紅外轉化為電能,而鈣鈦礦化合物則主要利用光譜的可見光部分。因此,由硅和鈣鈦礦制成的疊層太陽能電池可比單個電池實現更高的效率。當前,該太陽能電池在1平方厘米的樣品中測試成功。研究人員希望未來將其擴大到更貼合實際應用的尺寸。

(三)生物醫用材料

生物醫用材料是指以醫療為目的,用于診斷、治療、修復、替換人體組織器官或增進其功能的新型高技術材料,是材料科學技術中一個高速發展的新領域。近年來,隨著生物技術的蓬勃發展和重大突破,生物醫用材料已成為各國研究和開發的熱點。2020年,生物醫用材料領域取得以下幾個方面的進展。

(1)瑞典隆德大學開發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(Lund University)研究人員開發出一種用于愈合傷口的凝膠。該凝膠不僅可以殺死對抗生素產生耐藥性的細菌,還可以減輕傷口內的炎癥。該凝膠含有一種名為TCP-25的肽,可通過殺死傷口部位的有害細菌來幫助預防感染。在對大鼠和豬進行的實驗室測試中發現,該凝膠可在使用后24小時內減少傷口發炎,并在隨后3~4天內顯著減少細菌數量。隆德大學正在與瑞典生物醫學初創公司in2cure AB進行合作,使該技術商業化,并希望該技術能很快應用于燒傷患者的臨床試驗中。下一步,研究人員計劃開發用于治療眼部感染和其他內部器官感染的新型肽基藥物。

(2)中國天津大學開發出可追蹤癌細胞位置的新型水凝膠材料

2020年2月,天津大學研究人員成功研發出新型長余輝水凝膠。該水凝膠由腫瘤特異靶向性的“長余輝納米探針”和“海藻酸鈉水凝膠”構成,通過表面修飾腫瘤特異性配體,能夠靶向識別、持續標記不同腫瘤細胞,其進入活體后,能夠在腫瘤細胞上長時間標記并發出近紅外光,使腫瘤細胞的轉移活動形成一幅發光的“實時位置軌跡圖”。試驗結果顯示,新型水凝膠有很高的靈敏度且生物相容性好,無毒無副作用,不影響腫瘤的轉移和侵襲。研究人員表示,該水凝膠可以針對各種類型的癌細胞進行定制化設計,從而為各種腫瘤轉移研究提供通用檢測平臺,在癌癥治療領域具有廣闊前景。

(3)瑞典查爾默斯理工大學開發出無毒柔性材料,可用于藥物精準治療

2020年3月,瑞典查爾默斯理工大學(Chalmers Tekniska H?gskola,CTH)研究人員開發出一種柔軟、呈橡膠狀的生物相容性材料。該材料內部充斥著納米孔洞,是一種三維網絡結構,其成分類似于有機玻璃,但柔韌性、彈性要優于有機玻璃。研究人員表示,未來可以將一塊載有藥物的材料植入體內,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的副作用。此外,該材料還可用于替換體內軟骨或其他軟組織,但這可能需要提前3D打印替換零件,然后通過傳統手術方式將其植入。

(4)美國哈佛大學醫學院制備出一種可以直接打印成具有多級孔結構的水凝膠生物墨水

2020年9月,美國哈佛大學醫學院(Harvard Medical School,HMS)報道了一種基于甲基丙烯?;髂z的生物墨水的制備方法,實現了具有納米孔—微孔—大孔多級孔的細胞負載水凝膠結構的3D生物打印,并且證明這種多孔級水凝膠在微創組織再生和細胞治療方面的應用前景。多孔水凝膠由于內部存在著大量孔結構,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并與周圍的宿主組織結合,實現組織再生修復。同時,該方法避免了侵入性外科手術,能極大地減輕患者的痛苦,有望在組織工程、再生醫學和個性化治療方面得到應用。

(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(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,同時防止感染。當前,市面上的各種止血材料大部分只注重快速止血,不適合更長期的治療。而此次研發的新材料中,殼聚糖與藻酸鹽結合形成的凝膠,在浸入溶液時可以保持穩定。同時,殼聚糖具有抗菌作用,可促使血液成分結合,使傷口愈合,而銀納米顆??稍鰪娔z的抗菌作用。

(6)德國開發出將藥物和銀結合起來的植入物涂層,可防止術后感染

2020年11月,德國弗勞恩霍夫制造技術和先進材料研究所(FraunhoferInstitute For Manufacturing Technology And Advanced Material)與柏林大學醫學院(Universit?t zu Berlin)合作開發出將藥物和銀結合起來的植入物涂層。研究人員利用激光對浸過抗生素溶液的鈦合金髖關節表面進行結構化處理,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在金屬上涂一層具有抗菌性的銀。植入髖關節后,抗生素能從微孔中流入周圍組織,有助于防止術后立即出現任何感染,而銀會在幾周內釋放殺菌離子,為愈合階段提供防感染保護。此外,植入物髖關節表面的微孔使其能夠更好地與鄰近的骨融合。

(四)節能環保材料

節能環保材料廣義上是指應用于節能環保產業的相關材料。近年來,隨著世界各國加強對節能環保產業的扶持力度,節能環保產業技術水平顯著提升,節能環保材料的發展勢如破竹。2020年,節能環保材料領域取得以下幾個方面的進展。

(1)日本神戶大學研發出一種能夠有效分離油和水、可重復使用的薄膜

2020年1月,日本神戶大學(Kobe University)薄膜技術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,成功開發出能夠有效分離油和水且能夠重復使用的薄膜。其中,PK薄膜具有大孔徑和高孔隙率,水滲透性良好;硅化過程(在PK纖維上添加二氧化硅)提供了堅固的拒油涂層,可保護表面改性膜免受污染,從而實現可重復使用。該薄膜的另一個優點是不需要很大的壓力即可實現高透水性,即使用低至10厘米(約0.01個標準大氣壓)的水位也表現出了重力滲透性。研究人員稱,每平方米薄膜可在1小時內處理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)美國萊斯大學研發出可將塑料等垃圾變成石墨烯的新技術

2020年2月,美國萊斯大學研發出一種新工藝,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化成有價值的石墨烯薄片。新工藝名為“閃蒸石墨烯”技術,可在10毫秒內將碳源加熱至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方法。這類石墨烯的潛在應用包括將其混入用作黏結混凝土的水泥中,可將混凝土對環境的影響降低1/3。研究人員表示,新技術可將固體碳基物質和橡膠等塑料廢料轉化為石墨烯,有助于解決食物浪費、白色污染等全球問題。

(3)新加坡國立大學研發出新工藝將廢舊輪胎橡膠轉換為多用途氣凝膠

2020年3月,新加坡國立大學研究人員開發出一種將舊輪胎橡膠轉換為高價值氣凝膠的方法。研究團隊首先將廢棄的汽車輪胎切成細橡膠纖維,然后將纖維浸入由水和少量“生態友好型”溶劑組成的溶液中,使纖維彼此交聯。機械攪拌20分鐘后,該混合物形成液體凝膠,交聯纖維均勻懸浮其中。最后將該凝膠倒入模具,并在零下50攝氏度下冷凍干燥12個小時后,得到固體橡膠氣凝膠。該氣凝膠具有隔熱、隔聲和吸收性強等優點,制造過程簡單、經濟高效且環保,生產一塊面積為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,具有良好的應用前景。

(4)美國科羅拉多大學利用細菌生產礦物質和聚合物,打造環保的建筑材料

2020年3月,美國科羅拉多大學博爾德分校(University of ColoradoBoulder)利用細菌來生產礦物質和聚合物,以打造環保的建筑材料。研究團隊對大腸桿菌進行編程,成功生產出不同尺寸、形狀和剛度的石灰巖顆粒,以及用于制造聚苯乙烯泡沫的苯乙烯單體。石灰巖顆粒與聚苯乙烯復合后,可用于開發環保、低碳的生物建筑材料。研究人員表示,基于合成生物學和基因編輯等技術,細菌還可用于生產自愈材料、環境感知材料和發光材料等,應用前景十分廣泛。

(5)澳大利亞莫納什大學利用特殊材料快速將海水轉化成飲用水

2020年8月,澳大利亞莫納什大學(Monash University)開發出一種新型海水淡化技術。研究團隊將聚螺吡喃丙烯酸酯加入一種金屬有機框架材料的孔隙中,獲得一種名為PSP-MIL-53的材料。據介紹,該材料可以在30分鐘內將海水等咸水中的鹽分及有害顆粒吸附出來,并使水質達到世界衛生組織規定的飲用水安全標準。隨后,只要經過陽光照射,材料就會很快釋放出吸附的鹽分等顆粒,從而實現重復使用。據實驗數據表明,每千克特殊材料可以過濾139.5升的飲用水,并且使用特殊材料所耗費的成本遠低于現在的海水淡化技術。新型技術利用陽光實現可持續的咸水淡化,為發展低耗能、具有可持續性的海水淡化技術開辟出一條全新的道路。

(6)國際研究團隊研發出可反復利用、無限循環的塑料

2020年8月,美國科羅拉多州立大學、中國北京大學和沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(King Abdullah University of Science and Technology,KAUST)的研究團隊通過從生物基烯烴羧酸中制備橋聯雙環硫內酯單體,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量的產品,并且這個過程可以無限重復。研究人員首先用催化劑在100攝氏度下進行整體解聚來測試塑料,測試結果表明PBTL已被分解成原來的單體。隨后,在室溫下分解PBTL樣品(使用催化劑),再次檢測到樣品已經分解成原來的單體。最后,利用以上制得的單體仍可以再制造出PBTL。一系列性能測試表明,PBTL具有優異的強度、韌性和穩定性,可用于制造塑料包裝、運動器材、汽車零部件、建筑材料和其他產品。

四、前沿新材料

前沿新材料是具有戰略性、前瞻性和顛覆性的新材料,是未來產業發展的制高點,具有重要的引領作用和重大的應用前景。近年來,在世界各國的積極推動下,二維材料、智能材料和超材料等前沿材料發展迅猛,前沿、顛覆性技術不斷涌現,支撐著一大批高新技術產業的發展。

(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晶材料,具有特殊的電學、熱學、光學和力學等性能,在高端電子和光電子器件、能源轉化與存儲及復合材料等領域有著廣闊的應用前景。2020年,二維材料領域取得以下幾個方面的進展。

(1)芬蘭阿爾托大學實現了厘米級尺寸的二維材料扭曲

2020年5月,芬蘭阿爾托大學(Aalto University)基于外延生長法和水助劑轉移法,開發出一種可將大尺寸二維材料層進行扭曲的新方法。近年來,單層原子組成的二維材料憑借著獨特的電、光和機械特性,被廣泛應用于激光、光電、傳感器和醫療等領域。研究人員發現將二維材料放在另一材料上并稍做旋轉時,扭曲會從根本上改變雙層材料的性能,如高溫超導性、非線性光學及超潤滑性,這促使了扭曲與電子學的結合。芬蘭阿爾托大學以二硫化鉬材料為主要研究對象,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擴展至厘米級,實現了大尺寸二維材料扭曲。未來,研究人員計劃將該扭曲方法應用于其他二維分層材料上。

(2)瑞士洛桑聯邦理工學院設計出一種基于二維半導體材料的新型器件

2020年6月,瑞士洛桑聯邦理工學院納米電子器件實驗室設計并論證了一種基于二維半導體材料的新型器件,其效能幾乎與人類神經元相當。研究人員利用二硒化鎢和二硒化錫柵極結的能帶對準機制,開發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現開關的接通和關斷操作。研究人員通過原子模擬測試驗證了二維隧穿晶體管的性能,其比類似的二維半導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建類似于大腦神經元的節能電子系統,未來有望在可穿戴設備和人工智能芯片領域得到應用。

(3)美國研發出厚度僅三個原子的二維金屬芯片,可使芯片存儲速度提高100倍

2020年7月,美國斯坦福大學、加州大學伯克利分校和得克薩斯農工大學(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,其厚度僅為三個原子。研究人員對二碲化鎢薄層結構施加微小電流,使其奇數層相對于偶數層發生穩定且快速的偏移,并利用奇偶層的排列來存儲二進制數據。數據寫入后,再通過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據。與現有的基于硅的數據存儲系統相比,新芯片可以將更多的數據填充到極小的物理空間中,非常節能。此外,二碲化鎢薄層結構奇偶層偏移速度很快,可以使數據寫入速度比現有技術快100倍。目前,團隊已為該設計申請了專利,并繼續研究下一步改進方法,如尋找除二碲化鎢之外的其他二維材料。

(4)中國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,沈陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部在化學氣相沉積法生長非層狀二維氮化鉬的過程中,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,并獲得了厘米級單層薄膜。研究發現,單層MoSi2N4具有半導體性質和優于二硫化鉬的理論載流子遷移率,表現出優于二硫化鉬等單層半導體材料的力學強度和穩定性。此外,研究人員通過理論計算預測出了十幾種與單層MoSi2N4具有相同結構的二維層狀材料,包含不同帶隙的半導體、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用,具有重要的科學意義和實用價值。

(5)美國德雷克塞爾大學開發出一種可阻擋電磁波和其他輻射的二維材料

2020年12月,美國德雷克塞爾大學(Drexel University)研究人員開發出一種稱為MXene的涂層和相關新型織物。MXene涂層是一種二維材料,具有導電性,已被證明在阻擋電磁波和有害輻射方面非常有效。此外,MXene可以穩定地制成噴霧涂層、墨水或油漆,使其可以應用于紡織品中。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境刺激能力,可以進行分析、處理、判斷,并采取一定的措施進行適度響應的智能特征的材料,是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料。自20世紀90年代起,智能材料迅速發展起來,成為一種全新的材料分支學科,并朝著更加高性能化、多功能化、復合化、精細化和智能化方向發展。2020年,智能材料領域取得以下幾個方面的進展。

(1)美國加州大學圣迭戈分校研發出全新熱偽裝材料,可自行適應環境溫度

2020年3月,美國加州大學圣迭戈分校(University of California,SanDiego)研究人員開發出一種可適應環境溫度的新型熱偽裝材料。該材料為一種柔性材料,由蠟狀相變物質及熱電合金組成,由集成電池供電,并由佩戴者通過無線電路板控制。施加電流時,材料能夠在不到一分鐘的時間內在10攝氏度到38攝氏度范圍內改變溫度。當環境溫度高于30攝氏度時,材料會通過相變吸收熱量;當環境溫度低于30攝氏度時,材料會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)中國天津大學研發出“全天候自愈合材料”,可在嚴寒、深海和強酸堿等極限條件下快速自愈合

2020年6月,中國天津大學成功研發出“全天候自愈合材料”,該材料能在嚴寒、深海和強酸堿等極限條件下快速自愈合,有望成為機器人、深海探測器和極端條件下各類高科技設備的“超級電子皮膚”。研究人員充分利用了不同動態鍵的相互協同作用,使材料在不借助任何外界能源的條件下,同時實現高彈性、高拉伸性和快速修復損傷的功能。實驗結果顯示,新型自愈合材料在室溫下可實現10分鐘內快速愈合,愈合后可承受超過自身重量500倍的重物,并在零下40攝氏度的低溫、過冷高濃度鹽水下甚至在強酸強堿性環境中都表現出了高效的自愈合性能。下一步,研究人員計劃將材料應用于電子皮膚傳感器,從而使極限環境下的機器人能夠感知體表的壓力、水流和溫度等,為先進電子設備打造真正的“智能皮膚”。

(3)日本東京大學開發出可自我修復的新復合材料

2020年6月,日本東京大學與美國卡耐基梅隆大學研究人員聯合開發出具有自我修復能力的新復合材料“MWCNTs-PBS”。該材料由聚硅氧烷(PBS)和多層碳納米管(MWCNTs)復合而成,具有機械和電氣自愈性。研究人員將PBS、MWCNTs-PBS和其他常見的軟材料結合在一起,構建出具有自愈合、傳感和驅動能力的接口設備。自修復材料的應用范圍極為廣泛,包括軍用裝備、電子產品、汽車、飛機和建筑材料等領域,其中在智能手機和平板電腦屏幕上的應用最受關注,此次研究人員使自修復材料向實用化方向又邁進了一步。

(4)英國劍橋大學研發出由納米顆粒制成的光熱驅動變色皮膚

2020年6月,英國劍橋大學研發出一種人造變色皮膚,在光照或加熱時會變色。該皮膚變色機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—殼結構納米顆粒,再用流動聚焦微流體裝置和碳氟油產生含納米顆粒的水滴,最后將水滴轉移至油中以防蒸發。當光照或加熱至32攝氏度以上時,納米顆粒會聚集在油水界面處,并沉積到水滴底部,材料呈深藍色;當溫度降低后,納米顆粒通過布朗運動重新分散,材料呈紅色。用這種機理可研制光隱身皮膚、光/熱敏感變色材料等,甚至通過激光照射構建可編程控制顏色的材料。

(5)美、德研究人員研發聚合物材料,可使軟機器人實現自我修復

2020年7月,美國賓夕法尼亞州立大學和德國馬克斯·普朗克研究所研究人員受烏賊圓環齒啟發,聯合開發出一種能夠實現自我修復的聚合物材料。研究人員通過研究烏賊圓齒軟硬混合蛋白質的序列,在細菌生物反應器中創造出具有重復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現自我愈合,且愈合時間小于同類型材料。該材料可完全生物降解,將有利于構建堅固且可自我修復的軟機器人和執行器,幫助其延長使用壽命。

(6)美國開發出可回收、可自愈的聚合物3D打印材料

2020年8月,美國得克薩斯農工大學和美國陸軍研究實驗室聯合開發出一種可回收、自愈合的聚合物3D打印材料。研究人員利用低聚物線性預聚物和交聯劑二苯甲烷雙馬來酰亞胺的混合物制成新型樹脂材料,通過增加該材料內部交聯分子的數量,可以控制該材料的強度水平,使其能夠像橡膠般柔軟或具備塑料般的強度。該聚合物材料暴露在高溫下時,化學鏈接會脫離或重連,因此可經過簡單加熱來實現修復。該材料能夠在幾秒鐘內自愈,并且可以進行3D打印,在假肢、柔性機器人及航空航天部件制造領域具有應用潛力。

(7)美國研制出可作為軟體機器人的仿生材料

2020年12月,美國西北大學(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器人,不僅能夠在液態環境中行動自如地完成拾取和運輸物體等任務,而且前進速度達到了每秒一步,甚至與人類步伐速度相當。該仿生材料軟體機器人大小只有幾厘米長,形狀像帶有四條腿的章魚,內嵌的鎳制骨架使其能夠響應外部磁場,由于沒有任何復雜的硬件或是液壓、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行重要任務。該類仿生軟體機器人在生產燃料和藥物、海洋環境清理或變革性醫療的“智能”微觀系統中具有應用前景。

超材料是21世紀以來出現的一類人工復合材料,具備天然材料所不具備的特殊物理性質。作為最熱門的新興技術之一,超材料正持續引發信息技術、國防工業、新能源及微細加工的重大變革。2020年,超材料領域取得以下幾個方面的進展。

(三)超材料

超材料是21世紀以來出現的一類人工復合材料,具備天然材料所不具備的特殊物理性質。作為最熱門的新興技術之一,超材料正持續引發信息技術、國防工業、新能源及微細加工的重大變革。2020年,超材料領域取得以下幾個方面的進展。

(1)美國南加州大學開發出新型智能聲學超材料,可控制聲波的傳播方式

2020年3月,美國南加州大學研究人員受鯊魚皮膚啟發,研發出可控制聲波傳播方式的新型智能聲學超材料。傳統聲學超材料通常由金屬或塑料制成,聲學特性單一,難以對不同聲波信號進行處理。此次研究人員利用鯊魚皮膚具有雙重聲學特性的原理,采用橡膠和鐵納米顆粒制備出智能聲學超材料,利用了橡膠易于彎曲和拉伸、鐵納米顆??身憫艌鲎兓奶匦?。該聲學超材料構成的柱狀陣列通過分開或靠近即可實現聲波的傳播或阻斷,目前尚處于實驗室測試階段,未來研究人員還將對其進行水下測試。

(2)英國和土耳其合作設計出模塊化超材料,可用于數據加密和可逆解密

2020年7月,土耳其畢爾肯大學(?hsan Do?ramac?-Bilkent University)與英國曼徹斯特大學(University of Manchester)合作設計出一種模塊化超材料,可用于數據加密和可逆解密。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。當頂部和底部放在一起時,頂部的金屬層與底部的銀膜形成光學腔,腔的顏色等性質由介電層厚度決定。此時,在介電層上制作的圖案即可由不同顏色顯示。除去頂部后,圖案就會消失,從而實現一次加密多次重復解密。該項研究為光學加密提供了一種更實用的途徑,可用于秘密信息傳遞...

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