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世界新材料技术发展报告

发布时间:2022-10-05 02:53:33 来源:BOB体育投注官网下载 作者:BOB体育投注登录

  纵观历史,人类社会生产力的提升、政治军事的变革,背后往往伴随着新材料的诞生。可以说,人类文明的变革史,也是一部新材料发现与利用的历史。近几十年来,众多高新技术产业和新兴产业的发展,都以新材料技术的突破为前提和基础,尤其是电子信息材料、新能源材料、生物医用材料等极大地改变了人们的生产生活方式。当前,在全球新一轮科技与产业革命的大背景下,世界主要国家都将发展新材料作为主要的科技政策之一,旨在抢占科技与产业发展的制高点。2020年,全球政治经济形势发生了深刻复杂的变化,世界经济重心调整、国际政治经济格局加速变化及国际贸易摩擦持续上演,这些给中国新材料产业升级带来巨大的挑战,同时也带来了新的机遇。在可见的未来,新材料与消费电子、新能源汽车、人工智能、5G、智慧城市、智能家居及数字经济等新兴产业的发展将会高度融合,新材料创新的步伐将会持续加速。

  近年来,绿色可持续发展、生态环保意识的增强对新材料发展提出了更高要求,新材料产业加速向高端化、绿色化及智能化方向转型升级。2020年,在国家政策和下游市场的双重推动下,中国新材料产业持续保持稳定增长的态势。据中商产业研究院整理的数据显示,2019年,中国新材料产业总产值为4.5万亿元,初步估算2020年全国新材料产值超6万亿元。2020年,逆全球化的阴霾依旧浓重,针对某些国家和地区的科技遏制仍在不断上演,极大限制了这些国家和地区的高技术发展。与此同时,新冠肺炎疫情的爆发给全球高技术供应链带来极大威胁。在此背景下,世界各国继续保持对新材料研发的高度关注,旨在以此推动电子信息、5G通信、新能源和生物医疗等产业的发展变革。

  当前,世界主要国家普遍面临人口老龄化、环境资源恶化及经济发展缓慢等诸多挑战。从全球范围来看,科技强国无一不在积极部署人工智能、先进制造、新能源和生物医疗等前沿技术领域,致力于通过科技发展解决人口、环境和经济等方面的难题。新材料作为发展前沿技术的基础,更受到世界各国的广泛重视。2020年,美欧日等科技强国和地区出台的科技战略或规划中,都将新材料作为未来的优先研发事项,以支撑新兴产业发展。

  2020年7月,美国国家科学基金会先后宣布向“材料研究科学与工程中心”和“化学创新中心”合计投入约2.6亿美元,旨在通过与跨学科、多机构的团队开展合作,应对相关领域的挑战,推动新技术发展。其中,材料领域正在新建3个新的研究中心,研究方向包括三大方面:一是杂化、活性和响应材料,重点是合成具有自组装和其他预设计特性的纳米材料,主要方向涉及基于仿生技术和新型有机材料制造的纳米机器,以及使杂化无机量子材料用于新的光电电路或器件;二是极端环境材料,重点是在生物环境和极端条件下研究合成材料,包括研制出能够承受极端环境的具有空前物理性能的材料;三是生物合成材料,重点是将工程生物与人造聚合物结合,主要方向包括通过强大的计算机系统来理解、预测并最终控制材料的性质(在仅大于分子的微观尺度层面),以及利用革命性生物技术工具来构建新的材料类别,使其以有效的方式对周围环境刺激做出反应等。

  此外,在化学领域将向材料领域3个中心的第2阶段资助6000万美元,研究方向同样包括三大方面:一是合成有机电化学,通过新的合成化学、预测理论和表面化学,探索新型电化学反应在有机合成和材料化学中的应用;二是基因编码材料,致力于合成受自然“工程机械”核糖体启发的聚合物,使其既具有预设的多样化序列,又有特定的长度;三是可持续纳米技术,评估纳米技术对环境和生物分子水平的影响,范围涉及电池、电子产品和靶向药物等。

  2020年5月,日本经济产业省发布《2020年日本工业技术展望报告》,旨在重新评估日本技术创新停滞的基本问题,并提出2050年前重要技术的研发方向。该报告指出,一方面,日本需要进一步提升创新水平,向资源循环型经济过渡,解决灾害、传染病等社会问题并增强工业竞争力;另一方面,近年来日本技术创新状况并不理想,此次新冠肺炎疫情引起的危机也凸显出超智能社会(社会5.0)准备的不足。为实现社会5.0,日本经济产业省认为应将一定资源集中于作为所有领域基础的材料技术领域。

  2020年7月,英国商业、能源与产业战略部正式启动“可持续复合材料计划”(Sustainable Composites),着眼于复合材料的全生命周期,确保其满足未来飞机、汽车与风电涡轮机等领域的发展需要。该计划将利用英国领先的复合材料领域的研究成果和技术开发能力,实现复合材料回收再利用行业的快速发展,使英国在这一总价值超过20亿英镑的市场中取得优势。具体而言,该计划一方面将致力于加快英国创新复合材料回收技术的开发,解决当前复合材料回收再利用难题;另一方面将利用蔬菜废料、坚果壳和藻类等生物基材料,制成新型可持续发展的复合材料。

  新材料是社会进步、经济发展的基础,更是保障国家科技安全的关键所在,其发展水平对一个国家而言意义重大。然而,中国关键基础材料受制于人的状况尚未得到彻底改善,“卡脖子”的风险依然突出。究其原因,主要在于中国新材料技术领域中存在创新机制不合理、产业转化机制不完善、工程化周期长等问题。对此,中国应积极探索新材料的产业技术创新模式,借鉴其他国家和地区在新材料产业技术的创新机制、投资结构及模式、利益分享机制等方面的经验,同时要充分结合国内具体现状,加速建设具有中国特色的新材料产业技术创新范式。

  此外,新材料种类繁杂、涉及面极广且各细分新材料领域的发展阶段、社会价值也各不相同,因此在创新模式的探索上也要“因材施策”。对于钢铁、有色、陶瓷、化工和建材等基础性、技术成熟度较高的材料,应充分发挥市场作用,采取产学研合作型、企业联盟型模式,推动建立以应用企业投入为主的研发机制,围绕实际需求开展创新活动;对于特种合金、特种橡胶、碳纤维、半导体材料和特种玻璃等投入较大、回报期较长的战略性材料,通过政府采购、军方采购等形式,整合政府、军方、科研机构和企业资源,构建高效的产用结合机制,实现研发制造与产品应用的反复迭代,破解“有材不敢用”的难题;对于石墨烯、纳米材料和智能材料等前沿性材料,应强化高校院所的主体作用,发挥政府的引导作用,通过搭建平台,吸引更多的社会力量参与技术创新及产业化。

  新材料在高技术发展中具有支撑性、引领性和颠覆性作用,在发展光电信息、新能源、生物医疗和节能环保等技术上具有至关重要的作用,是高技术产业供应链中的关键一环。2019年以来,逆全球化浪潮、日韩半导体贸易摩擦及新冠肺炎疫情等事件相继爆发,给全球高技术产业供应链带来巨大压力。在此背景下,欧、美、韩等发达经济体日益重视上游原材料的供应安全问题,开始致力于将关键材料的供应分散化、本土化,以避免本国技术产业受制于人,甚至受到毁灭性打击。

  2020年4月,美国能源部宣布提供1800万美元的基础研究资助,旨在推动关键矿物和稀土元素供应链的研究与开发,保障美国能源和国家安全。该研究将寻求根本性突破方法,提高对美国经济运转至关重要的稀土元素的可获得性或减少其使用量,确保稀土元素及其有效替代品的持续供应。该研究关注方向包括以下3点:一是开展稀土物理与化学的理论和实验研究,了解稀土元素及其电子结构在决定材料和分子的物理与化学性质中的作用,加速材料和分子设计及发现;二是通过假设驱动研究,开发新的设计和合成方法,以改进功能,减少或消除稀土元素的使用;三是利用新的分离原理与方法提高从复杂混合物(如矿石加工、矿山尾矿或再生材料)中提取稀土的效率。

  2020年5月,美国能源部宣布向关键矿物与稀土研究领域增投3000万美元,重点资助下一代关键材料的提取、分离和处理技术创新,旨在促进关键矿物和稀土元素供应链研发,降低美国关键原材料供应链中断的风险。美国能源部希望通过该投资推进关键原材料供应链的研究、开发和部署,以增强美国的国防工业基础。

  2020年9月,欧盟委员会修订了关键原材料清单(List of CRMs),将稀土等30种具有重大经济和战略价值的原材料纳入清单,同时公布行动计划,力求扩大供应商网络,减少对第三国的依赖。鉴于关键矿产对于欧盟制造业的战略重要性,欧盟于2008年就启动了《原材料倡议》(The Raw Materials Initiative),关键原材料清单制定就是该倡议的一项重要成果。自2011年起,欧盟每3年更新一次关键原材料清单。与2017年9月更新的名单(共计27种原材料)相比,此次更新的名单移除了氦,保留了其余26种原材料,新增了锂、锶、钛、铝土矿4种原材料。

  欧盟委员会警告称,欧盟成员国过度依赖关键原材料进口,如中国承担了欧盟98%的稀土供应,土耳其承担了98%的硼酸盐供应,南非承担了71%的铂供应及比例更高的铂族金属供应。过度依赖原材料进口有可能威胁到欧盟航空、汽车和新能源等关键行业,并使欧盟面临资源丰富国家供应链紧缩的威胁。此外,欧盟委员会提醒,用于制造电池和可再生能源设备的原材料短缺,有可能威胁欧盟到2050年实现“碳中和”的政治目标。

  为扩大供应商网络,欧盟委员会同时发布《提升关键原材料弹性:寻求安全可持续的供给之路》(Critical Raw Materials Resilience: Charting a Path Towards GreaterSecurity and Sustainability)报告,拟采取10项具体措施,包括组建“原材料联盟”(European Raw Materials Alliance)。该联盟的初步目标是为了增强欧盟在稀土和磁铁供应链中的抗风险能力,未来还将扩展到其他原材料领域。此外,欧盟还计划发展国际战略合作伙伴关系,拟于2021年与加拿大、非洲相关国家展开合作,促进当地采矿业可持续发展并承担社会责任,满足欧盟对关键原材料的需求。

  2020年7月,韩国政府发布“材料、零组件和设备2.0”(Materials,Parts andEquipment 2.0)战略,大幅扩充战略产品的供应链管理名录,促进“制造业回流”,意图打造零部件产业强国和尖端产业世界工厂。为此,韩国政府计划在2022年前投资5万亿韩元,其中包括在2021年先对半导体、生物和未来汽车三大产业投入2万亿韩元。同时,韩国政府还将选拔100家具有发展潜力的核心战略技术龙头企业进行重点扶持,确保其具有国际竞争力。此外,韩国政府还将与多家企业、研究所签署技术研发、招商引资的合作协议,助力新政策落地。

  2019年,韩国政府为降低对日本进口产品的依赖,在半导体、显示器等六大领域选定100种关键战略产品,希望通过进口来源多元化、提高国产化程度等方式,确保其供应链稳定。根据“材料、零组件和设备2.0”战略,韩国在此前基础上,增加了与美国、欧洲、中国及印度等相关的战略产品,总数增至338种,战略产品的范畴也在此前的六大领域基础上增加了生物、能源和机器人等新兴产业。

  新材料几乎是所有高科技产业链的上游,新材料供应被“卡”住就相当于高科技产业从源头上被“卡脖子”,后果不堪设想。新材料供应问题主要包括两个方面:一是关键矿产供应安全问题,如钴矿、稀土矿等战略价值高的原材料对新能源汽车、电子信息等产业具有重要影响;二是高性能关键材料的供应安全问题,如半导体晶圆、高纯靶材和碳纤维等涉及国计民生的关键材料,往往被国际上的少数科技巨头把控。

  近年来,美国对世界多国发起“贸易战”,相继在国际组织中“退群”,并在西方大肆渲染。在此背景下,中国关键原材料安全或将受到非常大的挑战:一是中国获取境外资源的外部风险不断增加,存在“源头断供”的风险;二是美欧等国家和地区寻求建立原材料产业联盟,或给中国关键原材料进出口带来严峻挑战。当前,新一轮科技革命孕育兴起,正催生全球范围内的新一轮产业竞争。作为新一轮科技革命的动力之源,关键矿产资源的国际竞争将越发激烈,未来甚至可能会重塑国家的科技竞争力。对此,中国应从国家战略层面高度重视关键矿产安全问题,推动关键矿产资源安全与管理研究,从加强矿产资源勘探、提升循环利用率、参与全球矿产资源治理等环节,切实保障中国未来关键矿产资源的安全。

  纵观全球,信息产业已成为世界科技强国最重要的支柱产业之一。近年来,人工智能、量子信息及大数据等信息技术快速发展,不断引领着新兴产业的发展方向。2020年,在市场的强劲需求和科技政策的强力推动下,先进信息材料不断涌现,为人工智能、量子信息和大数据等产业的发展提供了物质基础。

  2020年3月,瑞士洛桑联邦理工学院功率和宽带间隙电子研究实验室研制出一种由间距20纳米的双金属片组成的高功率太赫兹器件。当施加10~100伏电压时,该器件能够在皮秒内激发高强度“电火花”(等离子体),从而产生高功率、高强度的太赫兹电磁波。该技术结合了纳米制造技术和等离子体技术,成功解决了传统器件无法同时兼顾高功率和纳米尺寸的问题。新型器件具有结构紧凑、成本低和易于制造等优势,未来有望广泛应用于安防、医疗和通信等领域。

  2020年5月,美国海军研究实验室(United States Naval ResearchLaboratory,NRL)研发出一款名为“谐振隧穿二极管”的新型氮化镓基电子器件。氮化镓基“谐振隧穿二极管”比传统材料“谐振隧穿二极管”的频率和输出功率都高,其速率快慢的关键在于采用了氮化镓材料。新型器件利用量子隧穿效应,使电子以极快的速度传输。在隧穿过程中,电子会穿过物理壁垒,从而产生电流。此外,氮化镓基“谐振隧穿二极管”打破了传统器件的电流输出与开关速率纪录,能使应用程序获取毫米波范围内的电磁波及太赫兹频率。目前,研究团队与俄亥俄州立大学、怀特州立大学(Wright State University)联合致力于继续改进“谐振隧穿二极管”设计,使其在不增加电能损耗的同时继续提升电流传输速率。

  2020年5月,北京大学制备出高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料,并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的晶体管和电路,展现出碳管电子学的优势。碳纳米管集成电路批量化制备的前提是实现超高半导体纯度、顺排、高密度及大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。长期以来,材料问题的制约导致碳管晶体管和集成电路的实际性能远低于理论预期,甚至落后于相同节点的硅基技术至少一个数量级,是碳管电子学领域面临的最大技术挑战。该项工作突破了长期以来阻碍碳管电子学发展的瓶颈,首次在实验上显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势,为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。

  2020年6月,俄罗斯圣彼得堡国立信息技术、机械学与光学研究型大学宣布开发出世界上最紧凑的绿光半导体激光器。该半导体激光器产生的绿色相干激光可以很容易地被追踪到,甚至在光学显微镜下用肉眼就能够观测到。新型半导体激光器具有纳米粒子的尺寸,仅为310纳米。此外,该激光器纳米粒子的新颖设计还可有效囚禁受激发射的能量,从而为产生激光提供足够高的电磁场放大率。该项研究对构造光芯片、微传感器和其他使用光作为信息传输和处理媒介的器件领域的发展具有积极推动作用。

  近年来,量子材料、二维材料及半导体材料等先进信息材料技术的突破使信息技术发展进入了飞跃阶段。这些材料的应用将颠覆未来的信息技术和器件,如量子计算机、微纳型芯片、超级存储器及新型图像传感器等,在新能源、信息、生物医疗、人工智能和航空航天等领域具有非常广阔的应用前景。中国信息材料虽然占领了中低端领域市场,但在高端领域依然无法与美日等发达国家竞争。对此,中国应从三个方面采取措施:一是加大对高校、科研院所、企业及公共平台的引导和支持,不断积累技术经验,夯实基础;二是提高自主创新能力和产业核心技术,如突破高端芯片制造技术,打破西方的垄断和封锁;三是加大基础研究,开发各种颠覆性应用技术,实现产业化突破。

  新材料技术的发展与基础科学理论的突破息息相关。近年来,人工智能、机器学习及凝聚态物理等领域的发展,使得许多颠覆性新材料技术不断涌现,未来有望带来高技术产业的新变革。2020年,颠覆性新材料技术主要进展如下。

  2020年3月,美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发出一种预测材料性能的新方法。该方法旨在利用机器学习技术加速从新材料发现到大规模部署的过程,减少了测试和评估候选材料性能的工作量,大幅减少了材料部署的时间。以三氨基三硝基苯(TATB)为例,该材料是一种钝感高能炸药,合成反应条件的微小变化就可能引起较大的性能变化。因此,测试和评估TATB材料的性能需要做大量的工作。新方法利用计算机视觉和机器学习技术,可对TATB原材料粉末的扫描电子显微镜图像进行分析,从而避免繁多的物理测试。研究结果表明,与专家评估和仪器分析等常规方法相比,新方法可以减少约24%的预测误差。

  2020年9月,日本国立材料科学研究所(National Institute for MaterialsScience,NIMS)研发了一种机器学习工艺,可以制备具有特定及所需机械性能的铝合金。铝合金是一种轻质节能材料,主要由铝制成,同时也含有镁、锰、硅、锌和铜等其他元素。各种元素和制造工艺的组合意味着铝合金面对各种应力时的弹性不同。然而,在生产铝合金时需要验证各种元素与制造工艺的组合,这一过程非常耗时且成本昂贵。为解决该问题,研究人员将已知的铝合金数据库数据输入到机器学习模型中,从而训练模型理解合金不同机械性能与不同组成元素之间的关系,以及与生产过程中应用的热处理类型之间的关系。一旦具有足够的数据,该模型就可以预测生产具有特定机械性能的新合金需要何种元素和生产工艺,而且所有上述工作都无须人工监督。新工艺有助于加快铝合金等新材料的研发速率。

  超材料方面,2020年11月,中国香港城市大学研究人员采用真空液体填充技术在聚合物薄壳中注入液态金属镓(Ga),首次制备了液态金属聚合物核壳结构的微点阵力学超材料。目前的金属微点阵力学超材料具有超轻、高比强度等特性,在无人机机翼、小微型电子器械等领域具有很好的应用前景。但是,这类超材料的韧性较差,在服役过程中容易脆断失效。中国香港城市大学研发的新型超材料不仅具有良好的韧性,而且充分利用低温度范围下液态金属的特性,实现了类似科幻电影中复杂形态液态金属的自我修复功能,在生物医疗器械、微电子器件及微型机器人等领域有巨大应用潜力。

  二维材料方面,2020年9月,受美国DARPA和美国空军研究实验室(Air ForceResearch Laboratory,AFRL)等资助,斯坦福大学研究人员利用二维材料制备出超薄异质结构,并表现出优异的隔热性能。研究人员以二氧化硅/硅为衬底,先后沉积原子层厚度的单层二硒化钨、二硫化钼、二硒化钼和石墨烯,形成多层超薄异质结构,通过向石墨烯层施加电压,加热异质结构,并用拉曼光谱测量每层材料的温度。测试结果显示,该二维材料异质结构的热导率与290~360纳米厚的二氧化硅相当。该项研究将促进二维材料在热电器件领域的应用。该异质结构也有望用作电子器件的超轻隔热罩。

  近年来,全球前沿新材料研究热度持续上升,新材料开始实现从基础支撑到前沿颠覆的跨越。一些对未来具有颠覆意义的前沿新材料,如石墨烯、量子点、超材料、仿生智能材料、超导材料、柔性材料及光催化材料等不断得到开发和应用,产业化进程也在加速。美、日、韩等科技强国为抢占新一轮工业革命制高点,纷纷制订了相应的发展计划和预期目标,并实施相应策略,推进前沿新材料跨越式发展。中国前沿新材料的发展基本与世界同步,特别是近年来中国在引领支持、研发投入、人力资源配置及创新体制改革等方面不断加大力度,前沿新材料发展非常迅猛,某些领域已跻身全球强国之列。

  但同先进国家相比,中国前沿新材料在自主创新、新产品开发应用、研究范式变革和高端产业化等方面还有一定差距。对此,中国应对全球前沿材料发展态势有更充分的认识和把握,并重点在以下四个方面实现标志性突破:一是加强材料科技前沿性基础研究,国家在前沿基础研究方面应发挥引领、支持和协调的重要作用,应确定部门职责,推进跨部门跨领域全面合作,保证研究规范有序及高效地运作,取得高质量、高水平、强时效性的研究成果;二是加强创新体系建设,强化战略部署和战略管理,充分做好新材料研发的顶层设计,培养和打造一批具有国际先进水平的研究机构或高新企业,组合人才、资源和研发基础等优势,努力实现一批前沿性新兴技术的突破;三是完善产学研机制,采取政策导向和财经支持,加速新材料研究成果转化和产业化;四是提高自主创新能力,推进研究范式变革。

  高性能结构材料是指具有高强度、高韧性、耐高温、耐磨损及抗腐蚀等特殊性能的材料,是支撑航空航天、交通运输、能源动力及国家重大基础工程建设等领域的重要物质基础。近年来,高性能结构材料的发展趋势主要有三点:一是轻量化,这与全球低碳、可持续发展思潮同步;二是结构功能一体化,如具备一定的抗氧化、抗腐蚀和抗辐照等性能;三是高性能化,如具备高强度、高韧性。

  金属结构材料是指与传统结构材料相比具备更高的耐高温性、抗腐蚀性和高延展性等特性的新型材料,主要包括钛、镁、锆及其合金,钽铌,硬质材料等,以及高端特殊钢、新型铝材等。2020年,高性能金属结构材料领域取得以下几个方面的进展。

  2020年2月,美国电动车制造商特斯拉(Tesla)研发出一种新型铝合金,解决了传统铝合金强度与导电性不能兼备的难题。商用铸造铝合金可分为两类,一类具有高强度,另一类具有高导电性。对于某些应用场景,如电动汽车内部的部件,要求同时具有高强度和高导电性。此外,由于需要通过铸造工艺制备这些电动汽车部件,因此不能使用锻造合金。此次特斯拉借鉴火箭用材的灵感,研发出的压铸电动汽车零部件新型铝合金,屈服强度可达90~150兆帕,导电性可以达到40% IACS(国际退火铜标准)至60% IACS,兼具高强度和高导电性。从Model S和Model X车身上采用的大量铝材可以看出,新铝合金材料未来或可应用到特斯拉旗下产品中。

  2020年10月,澳大利亚莫纳什大学(Monash University)提出一种改进铝合金疲劳强度的组织设计新概念——“疲劳失效”法,即通过修改铝合金的微观结构使其能自行修复弱点。研究人员称,高强度铝合金疲劳性能差的原因是存在“无沉淀区”薄弱环节。该环节中交变应力会导致材料微塑化或局部塑化。而塑化会催生疲劳裂纹,这些裂纹逐渐扩展,最终导致材料断裂。研究人员使用商用铝合金,利用在疲劳早期循环中注入材料的机械能来修复“无沉淀区”中的弱点,极大地延迟了疲劳裂纹的产生,使得高强度铝合金的疲劳寿命提高了25倍。

  2020年6月,印度理工学院马德拉斯分校(Indian Institute of TechnologyMadras)、美国北得克萨斯大学(University of North Texas)和美国陆军研究实验室的研究人员使用一种含有钆、钇和锆等稀土元素的镁合金,经过热机械加工技术(严重塑性变形和老化处理),共同开发出一种工程镁合金。该合金强度高、延展性好,可在较高的应变速率下实现超塑性,从总体上减少制造时间、精力和成本。同时,此类合金具有较好的轻量化特性,有助于汽车减重从而降低碳排放量。研究人员表示,作为最轻的节能型结构材料,镁合金具有强大的潜力,可取代钢和铝合金,用于制造汽车和航空航天零部件。

  2020年6月,中国香港大学(University of Hong Kong,HKU)和美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Lab,LBNL)的研究团队通过增加材料屈服强度,突破了超高强度钢的屈服强度-韧性组合极限,成功研制出具备极高的屈服强度、极佳韧性和良好延展性的“超级钢”。“超级钢”比目前航空航天用的马氏体钢效能更高,而成本却只有其1/5。此外,研究人员还在“超级钢”的结构方面取得了重大发现。“超级钢”通过一种新型“高强度诱导多层分层”增韧机制,具备了一种独特的抗断裂性特征,其中主断裂表面下形成了多个微裂纹,而微裂纹能够有效吸收来自外部作用力的能量,使“超级钢”的韧性高于现有钢材。该研究成果为实现“超级钢”的工业化应用奠定了基础,未来有望应用于制造高级防弹衣、高强桥梁缆索以及航空航天领域、建筑领域的高强螺栓和螺母。

  2020年5月,NASA格伦研究中心称正在开发一种新型形状记忆合金(SMA)轮胎,可满足未来火星巡视器探索火星表面复杂地形的需求。该形状记忆轮胎由网状织物金属制成,能够“记住”自己最理想的形状,可在火星恶劣的环境下实现可逆的材料变形,同时又不牺牲性能。测试结果表明,SMA轮胎的优越抓地力满足或超过所有牵引性能的要求,并将赋予巡视器驱动能力,以跨越不同的地形。未来,研究人员将继续推进SMA技术的成熟以使其应用于火星车车轮上。

  2020年2月,中国清华大学研究人员在全球范围内首次提出“轻质液态金属”概念,并发明了一种前所未有的轻质量液态金属材料。该材料可塑性强、无害(良好的生物安全性)且密度轻,在温度调节下能保持良好的材料一致性和导电性,并可在完全柔软和坚硬的状态之间自由切换,将液态金属的特性发挥到极致。液态金属是金属材料中的新贵,有可能逐渐替代现有的材料,制造出突破性产品,将成为继工程塑料、轻合金之后的第三代新材料,未来可广泛应用于消费电子产品、锂电池、3D打印、柔性智能机器和血管机器人等领域。

  无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物,以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料,常见种类包括二氧化硅气凝胶、水泥、玻璃和陶瓷等。无机非金属材料是现代材料当中必不可少的,尤其在现代建筑中具有不可忽视的地位。2020年,无机非金属材料领域取得以下几个方面的进展。

  2020年1月,美国创新公司Akhan Semiconductor利用金刚石的坚硬特性研发出一款名为Miraj的金刚石玻璃,能为可折叠设备制造超轻、超薄、超硬的屏幕。该玻璃由纳米金刚石晶体材料涂装到玻璃上制成,既可以被喷涂在塑料(聚合物)片上,也可以被喷涂在没有经过处理的柔性玻璃上,且不会影响玻璃的可折叠性。此外,金刚石玻璃还具有防水疏油属性及良好的散热性,可以让手机保持较低的温度,从而延长智能手机电池和组件的使用寿命。Akhan Semiconductor公司表示,在智能折叠屏手机上使用金刚石玻璃还有很长的路要走,Miraj玻璃要到下一代柔性玻璃问世之后才会有发挥的空间。

  2020年7月,日本电气硝子株式会社(Nippon Electric Glass,NEG)成功研发出一款名为Dinorex UTGTM的化学强化专用玻璃。该款玻璃厚度仅为25微米(目前全球最薄的玻璃),表面平滑、厚度均匀,具有易弯曲的特性。Dinorex UTGTM玻璃弯曲半径可达1.5毫米,可用于制造折叠显示屏。长期以来,在生产较薄的化学强化玻璃时,需要对原始厚玻璃板进行薄化处理,而Dinorex UTGTM在玻璃成型工艺中直接生产出较薄的玻璃板,省去了薄化处理环节,达到减少有害物质使用量、削减成本的效果。

  2020年4月,美国宾夕法尼亚大学研究人员开发出可在火星稀薄大气中漂浮的轻薄氧化铝板。该氧化铝板内部为中空结构,大量微小的缝隙孔洞分布其中,这些孔洞能够防止裂纹蔓延,从而提升氧化铝板强度。当暴露在强光下时,氧化铝板被加热的顶部可与底部形成温差,引导气体从通道的开孔顶部吸入并从底部排出,形成类似气垫的悬浮效果。每块纳米氧化铝板的重量仅与一只果蝇相当,理论上可承载10倍于自重的有效载荷。研究人员正研究能够安装在飞板上的小型化学传感器,进一步提高其载重量。

  2020年8月,美国莱特·帕特森空军基地(Wright-Patterson Air Force Base)开发出一种用于制造陶瓷基复合材料的陶瓷先驱体聚合物接枝纳米颗粒(或称毛状纳米颗粒)。该颗粒是一种混杂材料,由固体纳米颗粒内核和围绕在其周围像毛发一样的聚合物外壳组成,大小相当于一个小型病毒,可用于制备适用于喷气发动机和高超声速飞行器高温部件的高性能陶瓷纤维和复合材料。新材料采用了一种含硅无机聚合物,分子结构类似于硅树脂,但却是由硅和碳原子构成。当高温加热时,这种聚合物中的硅和碳可产生化学反应转变成碳化硅陶瓷。以往即使采用最先进的工艺,陶瓷也必须经过6~10次循环渗透才能达到所需密度,而采用这种新型材料有望将渗透循环次数减少约一半,从而实现更快的生产速度和更低的生产成本。

  (4)俄罗斯托木斯克理工大学开发出一种新工艺,可以在非真空环境下生产碳化钨、碳化硼等超硬材料

  2020年9月,俄罗斯托木斯克理工大学(Tomsk Polytechnic University,TPU)研究人员开发出一种新工艺,可以在非真空环境下生产碳化钨、碳化钛、碳化硅和碳化硼等超硬材料。新工艺为一种合成碳化钨纳米粉的电弧法,由于在电弧等离子体的产生中使用了特殊形状的石墨电极,从而能够在非真空情况下生成自发自绝缘气态介质,这极大地简化了工艺过程,并降低了能源消耗。该技术的另一个优点是可以使用磨损的钻头、用过的刀具零件和其他含有碳化钨的废料作为合成原料。研究人员表示,目前在生产效率和经济性上尚无同类的生产技术。未来,研究人员计划进一步优化技术工艺,将该方法运用到废物处理方面。

  高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料,包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶黏剂和高分子基复合材料。高分子材料因质量轻、强度高、耐温和耐腐蚀等优异的性能,广泛应用于航空航天、交通运输、医疗和消费电子等领域。2020年,高分子材料领域取得以下几个方面的进展.

  2020年2月,美国陆军研究实验室研究人员采用无模热拉拔工艺研制出一种由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯与聚碳酸酯两种不同的聚合物组成的双聚合物长丝。利用该种双聚合物长丝可在现有的低成本3D打印机上生产出适用于战场使用的坚固零部件,以便于士兵快速利用耐用的3D打印零部件替换损坏的塑料零部件。此外,因材料和工艺问题,当前普遍使用的3D打印会出现零部件易碎、机械性能较差、退火过程中发生过度变形等问题。但是,双聚合物长丝因含有两种不同熔融温度的聚合物,被用于打印出固体零部件后可放入烤箱烘烤以提升零部件的强度。

  2020年4月,德国马克斯·普朗克研究所(Max Planck Institute,MPI)受壁虎启发开发出一种弹性纤维胶黏剂。该胶黏剂结合了蘑菇状纤维的强黏附性和纤维尖端双凹角几何形状的疏水性,不仅对低表面张力液体表现出超强的疏液性,同时又保持了超强的黏合性能。研究人员表示,强疏液性使该纤维胶黏剂能够有效地黏附到水、油或其他液体表面而不会损失黏合力,如攀爬机器人或可使用这种黏合材料来攀爬湿玻璃板。此外,该弹性纤维胶黏剂还具有高度可变形性和拉伸性,能够抵抗较强程度的物理作用,大大扩展了实际应用范围。

  2020年5月,中国科学技术大学研究人员成功研制出一类天然纳米纤维素仿生结构材料,解决了传统结构材料难以兼具高强度与高韧性的问题。该材料具有轻质高强韧的优异性能,性能超越航空铝合金和钢,且密度仅为钢的1/6、铝合金的1/2。新材料的轻质高强韧性主要来自材料微米级层状结构和纳米三维网络结构设计。纤维素纳米纤维内部高度结晶可以提供极高的强度,纤维之间通过大量氢键等可逆相互作用网络进行结合,在外力作用下这种高密度的可逆相互作用网络可以迅速解离和重构,吸收大量能量,使材料在具有高强度的同时实现高韧性。此外,该材料还具有高尺寸稳定性、抗热震、抗冲击及高损伤容限等多种优异性能,在轻量化抗冲击防护及缓冲材料、空间材料、精密仪器结构件等领域具有广阔的应用前景。

  2020年6月,以色列理工学院研究人员开发出一种柔性高分子材料。该材料在遭受刮擦、割伤或扭伤时能够“自愈”,将其与传感器相结合,有望获得具有柔性和自我修复能力的电子皮肤,未来可用于制造机器人、假肢和可穿戴设备。在该项研究中,研究人员首先研发出柔性高分子材料和弹性体,该弹性体被拉伸至原长度的11倍也不会断裂。随后研究人员利用弹性体开发电子皮肤,并将选择性感应、防水、自我监控和自我修复等多种功能融入电子皮肤中。利用电子皮肤组成的传感系统能够监控环境变量,如压力、温度和酸度。同时,该系统还包含能监视系统电子部件损坏的类神经元组件,以及让受损部位加速自我修复过程的其他组件。

  2020年6月,韩国科学技术研究院成功研制出适用于透明电极的高导电、高透明性高分子塑料新材料。当前,透明电极中的导电高分子材料存在厚度增加不透明度也增加的问题。此次研究人员开发出与传统高分子材料具有不同化学结构的“自由基高分子”材料,由此制成的导电高分子膜厚度在1微米时透明度达96%,相比传统的10%透明度提升了近10倍。“自由基高分子”材料有望应用于未来新一代储能材料、透明显示材料、柔性电池和生物电化学等领域。

  2020年8月,日本三菱化学(Mitsubishi Chemical Holdings)研发出可在海水中降解的塑料袋。新塑料袋是根据微生物分解土壤中垃圾的相同机理研发,采用甘蔗等植物性成分制成,仅需1年左右的时间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。三菱化学希望通过推广使用这种塑料袋来帮助解决海洋塑料垃圾问题。但是,由于制造技术尚未普及,该种塑料袋的价格是普通塑料袋的6倍以上。

  复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料,具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良和耐化学腐蚀等优点,已逐步取代木材及金属合金,广泛应用于航空航天、汽车、电子电气及建筑等领域。随着全球低碳经济、绿色经济的发展,复合材料呈现出低成本化、高性能化、可循环利用的发展趋势。2020年,复合材料领域取得以下几个方面的进展。

  2020年5月,瑞典皇家理工学院(KTH Royal Institute of Technology,KTH)开发出一种由两片掺杂锂离子的碳纤维和一块固体电解质薄片组成的碳纤维复合材料。当接入低压直流电时,锂离子会从碳纤维的一层迁移到另一层(通过电解液),从而使碳纤维的放电层收缩,充电层膨胀,因此整块材料会向一侧弯曲。即使电流被移除后,材料仍然保持这种形状。但是,如果随后接入反向电流,锂离子就会向相反的方向迁移,且不同的电压将决定复合材料是恢复到中性的平面形状,还是向另一侧弯曲。该复合材料质量虽轻,但硬度高于铝,进一步开发后或可应用于制造不需要副翼的变形飞机机翼,或是在不同风速下改变形状以实现最大效率的风力涡轮机叶片。

  2020年5月,中国科学院金属研究所与美国加州大学伯克利分校、中国工程物理研究院展开合作,借鉴天然生物材料三维互穿微观结构的原理,将镁熔融浸渗至增材制造的镍钛合金骨架,构筑成轻质、高强度、高阻尼、高吸能镁-镍钛仿生复合材料。微观三维互穿仿生结构不仅实现了镍钛增强相与镁基体在性能优势上的互补与结合,而且赋予材料形状记忆与自修复功能。新型仿生复合材料突破了强度和阻尼性能之间的相互制约关系,实现了镁合金的强度、阻尼和能量吸收效率等多种性能的良好结合,综合性能优于目前已知的工程材料,有望成为精密仪器、航空航天等领域的新型阻尼减震材料。

  2020年5月,荷兰Brightlands材料中心开始研发具有自感知功能的3D打印复合材料,以用于监控航空航天、建筑和医疗保健等领域的关键结构状态。该材料是一种碳纤维增强的聚合物基复合材料,可根据连续纤维电阻感应变化,提供自感应功能。目前该材料还在研发过程中,研究人员将首先验证其在飞机和建筑领域提供结构健康监测(SHM)的可行性。同时,研究人员还在将连续碳纤维的自感知能力与增材制造技术相结合,拟使SHM应用更具成本效益,从而能够更广泛地扩展到新应用中。

  2020年5月,美国北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University,NCSU)的一项新研究表明,一种由嵌入三氧化二铋颗粒的高分子化合物组成的复合材料具有巨大的潜力,可以替代传统的辐射屏蔽材料,应用于太空探索、医学成像和放射治疗等领域。铅等传统的辐射屏蔽材料通常价格昂贵、重量大且对人体健康和环境有害。在该项研究中,研究人员使用紫外线固化方法而非耗时的高温固化法创建了高分子化合物样品,其中三氧化二铋含量高达44%。随后,研究人员对样品进行了测试,结果表明该化合物重量轻、强度高,能有效屏蔽诸如伽马射线等电离辐射,并且可以快速生产。

  2020年8月,瑞士保罗谢尔研究所(Paul Scherrer Institute,PSI)和苏黎世联邦理工学院(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich,ETHZ)合作研发出一种由磁流变液和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成的新型复合材料,该材料可以在磁场下表现出形状记忆特性。研究人员利用水滴、甘油和羰基铁颗粒组成磁流变液,以不同的体积分数(10%和40%)分散在PDMS中制成软磁性形状记忆复合材料。实验结果表明,添加体积分数为40%的磁流变液使PDMS的储能模量提高近30倍,无须加热即可实现快速可逆的形状记忆。该磁性形状记忆复合材料在生物医学、航空航天、电子和机器人等领域有显著的应用潜力,如在医学领域进行血栓微创手术时可改变导管的硬度,减轻副作用;在太空探索领域可作为自行充气或折叠的轮胎安装在探测漫游车上;在电子设备领域可用于制造柔性电源、数据电缆或可穿戴设备。

  功能材料是指通过光、电、磁、热、化学和生化等作用后具有特定功能的材料。进入21世纪以来,功能材料成为新材料领域研究的重点,是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导,推动信息通信、能源、航空航天、生物医疗和国防等领域的发展。近年来,先进信息材料、新能源材料、生物医用材料和节能环保材料等先进功能材料发展迅猛,前沿、颠覆性技术不断涌现,给全球可持续发展、产业升级与变革等带来了深刻影响。

  先进信息材料是为实现信息探测、传输、存储、显示和处理等功能使用的材料,是人类社会步入信息时代的物质基础,也是科技创新和国际竞争最为激烈的技术领域。近年来,随着人工智能、量子信息和大数据等技术的发展,新型信息器件不断涌现,信息材料正加速向多功能化、薄膜化、高性能和低功耗方向发展。2020年,先进信息材料领域取得以下几个方面的进展。

  2020年5月,美国北卡罗来纳州立大学研制出一种超薄、可拉伸、可透气的电子材料。研究人员使用了一种称为呼吸图法的技术来制造具有均匀孔分布的可拉伸聚合物薄膜,通过将薄膜浸入含有银纳米线的溶液中进行涂层,然后对材料进行热压,将纳米线封住。由于银纳米线正好嵌入到聚合物表面正下方,因此在出汗和长期磨损的情况下,该材料也表现出出色的稳定性。研究人员表示,这种薄膜在导电性、光学透光性和水蒸气渗透性方面表现出良好的组合特性。研究团队创建的第一个原型是可安装在皮肤上用作电生理传感器的干电极。

  2020年5月,韩国成均馆大学(Sungkyunkwan University,SKKU)和三星电子合作开发出一种导电黏合剂,可以将集成电路密度提高20倍以上。该黏合剂由纳米金属颗粒制成,用于在电路板上集成微型的电子设备。通过这项研究,研究人员已成功将数千个比头发还细的30微米×60微米微型LED组装在低温低压的柔性板上。此外,该项技术可以实现在比信用卡更小的基板上排列60万个相距100微米的微型LED。与目前市场上的其他黏合剂不同,该导电黏合剂能够应用于可弯曲和展开的柔性基板上,这意味着其将为生物医学设备的进一步小型化铺平道路。

  2020年7月,韩国三星电子宣布,三星高级技术学院(Samsung AdvancedInstitute of Technology,SAIT)与蔚山国家科学技术学院(UlsanNational Institute of Science and Technology,UNIST)、剑桥大学两家高校合作,成功制备出一种3纳米厚的无定型氮化硼薄膜(a-BN)。该薄膜在100千赫兹和1兆赫兹的工作频率下分别展示了1.78和1.16的超低介电性质,极度接近于空气的介电值1,并且表现出优异的机械、高压稳定性。研究人员表示,无定型氮化硼薄膜具有极低的介电常数、高击穿电压和出色的金属阻挡性能,可实现更小巧、更紧凑的电子解决方案,推动器件进一步小型化发展。

  2020年7月,俄罗斯南乌拉尔州立大学(South Ural State University)的研究人员合成了适用于制造压力、温度、电场和磁场传感器的陶瓷材料。当前,许多用于制造传感器的现代材料都含有铅,其广泛使用会造成环境污染并对人体健康产生负面影响,无法大规模生产。而南乌拉尔州立大学研究人员通过研究基于铋铁氧体的陶瓷材料的相变结构,发现该种材料对外部因素(温度、电势、磁场、压力)高度敏感,不仅可以被用于制造传感器,而且该材料属于多铁性合金,对环境更加友好,可能成为未来传感器材料的发展方向。

  2020年10月,日本东京大学(The University of Tokyo)研究人员开发出一种磁性材料——ε氧化铁。该磁性材料加上特殊的访问方法,可以提供比以往更高的存储密度。研究人员称,当施加外部磁场时,ε氧化铁会在高频波情况下发生磁方向翻转,随后数据就被锁定在磁带存储器中。此外,ε氧化铁材料的鲁棒性意味着数据存储时间将比其他介质更长,并且可以在低功耗下运行,未来有望应用于需要进行长期存储的应用中。研究人员希望能在未来5~10年内开发出基于新磁性材料的磁带存储器,其数据容量可达当前容量的10倍。

  2020年10月,美国麻省理工学院和新加坡南洋理工大学(NanyangTechnological University,NTU)利用量子力学和机械变形的计算机模拟发现,使金刚石纳米针变形,会使其导电性从绝缘体变为半导体,再变为高导电性金属。电子在材料中移动的难易程度是以材料的带隙来衡量的,带隙越大,电子越难通过。在5.6电子伏特下,金刚石通常具有超宽的带隙,是绝缘体。但是,当对金刚石纳米针施加外力时,可以使其产生应变。施加的外力越大,应变越大,带隙就越窄,从而使金刚石转化成优良的导电体。研究人员称,“金属化”后的金刚石可以制造新型量子探测器和传感器。

  新能源材料是指支撑新能源发展,具有能量存储和能量转换功能的材料,主要包括燃料电池材料、锂离子电池材料、太阳能电池材料、相变储能材料、金属氢化物镍电池材料和半导体照明发光材料等。近年来,随着气候变化、能源危机等全球性问题进一步凸显,新能源材料成为世界各国重点关注的技术领域之一,政策扶持与资金支持不断加码。2020年,新能源材料领域取得以下进展。

  2020年2月,澳大利亚昆士兰大学研究人员开发出能量转换效率高达16.6%的新型量子点太阳能电池,比此前世界纪录高出近25%。该电池采用了铯和甲酰胺铅三碘钙钛矿体系,并用油酸配体辅助阳离子交换策略,提供了稳定的基于钙钛矿的光伏和光电子学的途径。研究团队通过控制量子点上的表面功能化学物质,开发出一种新的表面工程方法,不仅可以稳定量子点,还可以保持电子通过的路径平滑,使量子点将太阳能转换为电能的效率大大提高。此外,由于这些量子点具有柔韧性,并且能够以较低成本大规模打印,因此可将其用作透明皮肤,为汽车、飞机、房屋和可穿戴设备提供动力。

  (2)美国西北太平洋国家实验室设计出一种新型纳米结构,可用于制造高性能锂离子电池阳极

  2020年4月,美国能源部西北太平洋国家实验室(Pacific NorthwestNational Laboratory,PNNL)研究人员设计出一种新型纳米结构,能够赋予硅非凡的强度,使其有望成为锂离子电池的阳极材料。近年来,随着对更高能量密度电池的需求不断增加,石墨基电极亟待升级,而硅被认为是一种很好的升级版材料。但硅在遇到锂时会大幅膨胀,可能会导致锂电池阳极破裂粉化。为解决这一难题,研究人员将细小的硅颗粒聚集到直径约8微米的微球中,形成一种相当于红细胞大小的分层多孔硅结构。这种结构就像海绵一样,内部有空间吸收膨胀压力。研究表明,这种分层多孔结构具有出色的电化学性能、机械强度和结构完整性,可用于制造高性能锂离子电池阳极,其可容纳的电荷也是典型石墨基阳极的两倍。

  (3)瑞典林雪平大学研发出稳定的钙钛矿——有机分子复合薄膜,可用于开发高效发光二极管

  2020年4月,瑞典林雪平大学(Linköping University,LiU)与中国、英国和捷克组成的国际团队合作研制出一种效率高、稳定性强的钙钛矿发光二极管(Light Emitting Diode,LED)。钙钛矿是当今热门的半导体材料之一,其独特的晶体结构使其具有卓越的光学及电子特性,并且制造起来难度小、成本低。然而,当前大多数钙钛矿LED并不是特别稳定,无法投入实际应用。此次研究团队采用铅、碘和有机物质甲脒制备了新型钙钛矿材料,并将钙钛矿材料嵌入到有机分子基体中,最终形成一种复合薄膜。其中,末端有两个氨基的有机分子有助于稳定钙钛矿的结构,铅和碘有助于提升钙钛矿的发光性能。测试结果表明,新型钙钛矿LED的效率为17.3%,服役寿命超过100小时。

  (4)美国爱达荷国家实验室研发出新型氧电极材料,可使电化学电池实现“三重传导”

  2020年5月,美国爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory,INL)研发出一款可用作电化学电池的新型氧电极材料。该材料是一种钙钛矿化合物,此前氧电极只传导电子和氧离子,而新型钙钛矿能够进行“三重传导”,即可传导电子、氧离子和质子。在实际应用中,能够进行“三重传导”的电极会更快、更高效地发生反应,因而可以在保持良好性能的同时,降低操作温度。研究人员表示,使用该材料的电池能够高效地将多余的电力和水转化为氢,当电力需求增加时,该电池能够反过来将氢转换成电,用于电网供电。未来,研究人员希望继续将创新材料与前沿制造工艺相结合,继续改进该款电化学电池,以使其可以应用于工业化生产。

  2020年8月,英国伦敦玛丽女王大学(Queen Mary University ofLondon)和伦敦大学学院(University College London)的研究团队通过一锅合成法,生产出包裹着铂纳米颗粒的高质量石墨烯,并将其用于研发氢燃料电池催化剂。氢燃料电池在催化剂作用下使氢和氧结合,将化学能转化为电能,是一种高效且环保的能源。在氢燃料电池中,铂是使用最广泛的催化剂,但成本高昂,这也是阻止氢燃料电池实现商业化的一大难题。为解决该问题,商用催化剂通常是在较便宜的碳载体上裹上微小的铂纳米颗粒,不过此种材料耐用性很差,大大缩短了当前燃料电池的使用寿命。研究表明,石墨烯具有耐腐蚀性、表面积大且导电性高等优点,可能是氢燃料电池催化剂的理想支撑材料。与现有的催化剂相比,石墨烯基催化剂更耐用且性能相当,可用于大规模生产,有望在能源领域得到广泛应用。

  2020年9月,美国加州大学河滨分校研发了一种方法,以回收苏打水瓶等塑料,并将此类塑料制备成可以用来存储能源的纳米材料。研究人员首先将塑料瓶的碎片溶解在溶剂中,然后采用静电纺丝工艺,用聚合物制出微小的纤维,并在熔炉中将塑料丝碳化。在与黏结剂和导电剂混合后,该材料燥,并被组装成硬币电池芯类型的双层超级电容器。当在超级电容器中测试该材料时,该材料包含了由分散离子电荷和电子电荷形成的双层电容器,以及当离子被电化学反应吸收到材料表面时产生的氧化还原反应伪电容的特性。虽然此电容器存储的能量不如锂离子电池多,但充电速度要快得多,可以让很多基于塑料废料制成的电池应用到更多领域。

  2020年12月,英国兰开斯特大学研究人员发现一种可将太阳能存储数月乃至数年的特殊材料——金属有机框架(Metal-Organic Framework,MOF)材料。MOF材料是多孔的,因此可与其他小分子形成复合材料。MOF材料通过添加吸收光的化合物偶氮苯分子,最终形成的复合材料能在室温下将吸收的紫外线个月,然后再释放出来。目前大多数光响应材料仅能存储几天或几周能量,而MOF材料成为该领域的重大突破。研究人员称,该材料仍需要做一些改进才能实现商业化,未来有望用于为汽车风窗玻璃除冰或为家庭和办公室提供额外的热量。

  2020年12月,德国海姆霍兹柏林材料所研发出目前全球最高转换效率的钙钛矿—硅叠层太阳能电池,转换效率高达29.15%。此外,该电池即使在没有封装的情况下也能提供300小时的稳定电量。在该项研究中,研究人员为钙钛矿—硅叠层电池开发了一种特殊的电极接触层,用于光学耦合顶部和底部电池,同时还改进了界面层。在钙钛矿—硅叠层电池中,硅将大部分太阳光的红外/近红外转化为电能,而钙钛矿化合物则主要利用光谱的可见光部分。因此,由硅和钙钛矿制成的叠层太阳能电池可比单个电池实现更高的效率。当前,该太阳能电池在1平方厘米的样品中测试成功。研究人员希望未来将其扩大到更贴合实际应用的尺寸。

  生物医用材料是指以医疗为目的,用于诊断、治疗、修复、替换人体组织器官或增进其功能的新型高技术材料,是材料科学技术中一个高速发展的新领域。近年来,随着生物技术的蓬勃发展和重大突破,生物医用材料已成为各国研究和开发的热点。2020年,生物医用材料领域取得以下几个方面的进展。

  2020年1月,瑞典隆德大学(Lund University)研究人员开发出一种用于愈合伤口的凝胶。该凝胶不仅可以杀死对抗生素产生耐药性的细菌,还可以减轻伤口内的炎症。该凝胶含有一种名为TCP-25的肽,可通过杀死伤口部位的有害细菌来帮助预防感染。在对大鼠和猪进行的实验室测试中发现,该凝胶可在使用后24小时内减少伤口发炎,并在随后3~4天内显著减少细菌数量。隆德大学正在与瑞典生物医学初创公司in2cure AB进行合作,使该技术商业化,并希望该技术能很快应用于烧伤患者的临床试验中。下一步,研究人员计划开发用于治疗眼部感染和其他内部器官感染的新型肽基药物。

  2020年2月,天津大学研究人员成功研发出新型长余辉水凝胶。该水凝胶由肿瘤特异靶向性的“长余辉纳米探针”和“海藻酸钠水凝胶”构成,通过表面修饰肿瘤特异性配体,能够靶向识别、持续标记不同肿瘤细胞,其进入活体后,能够在肿瘤细胞上长时间标记并发出近红外光,使肿瘤细胞的转移活动形成一幅发光的“实时位置轨迹图”。试验结果显示,新型水凝胶有很高的灵敏度且生物相容性好,无毒无副作用,不影响肿瘤的转移和侵袭。研究人员表示,该水凝胶可以针对各种类型的癌细胞进行定制化设计,从而为各种肿瘤转移研究提供通用检测平台,在癌症治疗领域具有广阔前景。

  2020年3月,瑞典查尔默斯理工大学(Chalmers Tekniska Högskola,CTH)研究人员开发出一种柔软、呈橡胶状的生物相容性材料。该材料内部充斥着纳米孔洞,是一种三维网络结构,其成分类似于有机玻璃,但柔韧性、弹性要优于有机玻璃。研究人员表示,未来可以将一块载有药物的材料植入体内,以精确地将药物输送到需要的地方,从而最大限度地减少了口服同一药物所带来的副作用。此外,该材料还可用于替换体内软骨或其他软组织,但这可能需要提前3D打印替换零件,然后通过传统手术方式将其植入。

  (4)美国哈佛大学医学院制备出一种可以直接打印成具有多级孔结构的水凝胶生物墨水

  2020年9月,美国哈佛大学医学院(Harvard Medical School,HMS)报道了一种基于甲基丙烯酰化明胶的生物墨水的制备方法,实现了具有纳米孔—微孔—大孔多级孔的细胞负载水凝胶结构的3D生物打印,并且证明这种多孔级水凝胶在微创组织再生和细胞治疗方面的应用前景。多孔水凝胶由于内部存在着大量孔结构,可在注射前后具有形状记忆功能,利用该功能可以将其直接注射到组织缺损空间内并与周围的宿主组织结合,实现组织再生修复。同时,该方法避免了侵入性外科手术,能极大地减轻患者的痛苦,有望在组织工程、再生医学和个性化治疗方面得到应用。

  2020年9月,俄罗斯门捷列夫化工大学(Mendeleev University ofChemical Technology of Russia,MUCTR)研究人员用壳聚糖、藻酸盐两种生物聚合物和银纳米颗粒合成一种新材料,形如一块5厘米厚的多孔海绵,可用于开放性伤口快速止血,同时防止感染。当前,市面上的各种止血材料大部分只注重快速止血,不适合更长期的治疗。而此次研发的新材料中,壳聚糖与藻酸盐结合形成的凝胶,在浸入溶液时可以保持稳定。同时,壳聚糖具有抗菌作用,可促使血液成分结合,使伤口愈合,而银纳米颗粒可增强凝胶的抗菌作用。

  2020年11月,德国弗劳恩霍夫制造技术和先进材料研究所(FraunhoferInstitute For Manufacturing Technology And Advanced Material)与柏林大学医学院(Universität zu Berlin)合作开发出将药物和银结合起来的植入物涂层。研究人员利用激光对浸过抗生素溶液的钛合金髋关节表面进行结构化处理,使金属表面充满含有抗生素溶液的微孔,然后再使用物理气相沉积技术在金属上涂一层具有抗菌性的银。植入髋关节后,抗生素能从微孔中流入周围组织,有助于防止术后立即出现任何感染,而银会在几周内释放杀菌离子,为愈合阶段提供防感染保护。此外,植入物髋关节表面的微孔使其能够更好地与邻近的骨融合。

  节能环保材料广义上是指应用于节能环保产业的相关材料。近年来,随着世界各国加强对节能环保产业的扶持力度,节能环保产业技术水平显著提升,节能环保材料的发展势如破竹。2020年,节能环保材料领域取得以下几个方面的进展。

  2020年1月,日本神户大学(Kobe University)薄膜技术研究中心在多孔聚酮(Porous polyketone,PK)薄膜上涂覆10纳米厚的二氧化硅涂层,成功开发出能够有效分离油和水且能够重复使用的薄膜。其中,PK薄膜具有大孔径和高孔隙率,水渗透性良好;硅化过程(在PK纤维上添加二氧化硅)提供了坚固的拒油涂层,可保护表面改性膜免受污染,从而实现可重复使用。该薄膜的另一个优点是不需要很大的压力即可实现高透水性,即使用低至10厘米(约0.01个标准大气压)的水位也表现出了重力渗透性。研究人员称,每平方米薄膜可在1小时内处理6000升废水,也可有效地从各种不同的油性乳液中分离出水。

  2020年2月,美国莱斯大学研发出一种新工艺,可将废弃食品、塑料废料、石油焦、煤、木屑和生物炭等垃圾快速转化成有价值的石墨烯薄片。新工艺名为“闪蒸石墨烯”技术,可在10毫秒内将碳源加热至3000开尔文(2727摄氏度)以制得石墨烯薄片,其成本低于其他的石墨烯生产方法。这类石墨烯的潜在应用包括将其混入用作黏结混凝土的水泥中,可将混凝土对环境的影响降低1/3。研究人员表示,新技术可将固体碳基物质和橡胶等塑料废料转化为石墨烯,有助于解决食物浪费、白色污染等全球问题。

  2020年3月,新加坡国立大学研究人员开发出一种将旧轮胎橡胶转换为高价值气凝胶的方法。研究团队首先将废弃的汽车轮胎切成细橡胶纤维,然后将纤维浸入由水和少量“生态友好型”溶剂组成的溶液中,使纤维彼此交联。机械搅拌20分钟后,该混合物形成液体凝胶,交联纤维均匀悬浮其中。最后将该凝胶倒入模具,并在零下50摄氏度下冷冻干燥12个小时后,得到固体橡胶气凝胶。该气凝胶具有隔热、隔声和吸收性强等优点,制造过程简单、经济高效且环保,生产一块面积为1平方米且厚度为1厘米的橡胶气凝胶的成本不到10新币,具有良好的应用前景。

  2020年3月,美国科罗拉多大学博尔德分校(University of ColoradoBoulder)利用细菌来生产矿物质和聚合物,以打造环保的建筑材料。研究团队对大肠杆菌进行编程,成功生产出不同尺寸、形状和刚度的石灰岩颗粒,以及用于制造聚苯乙烯泡沫的苯乙烯单体。石灰岩颗粒与聚苯乙烯复合后,可用于开发环保、低碳的生物建筑材料。研究人员表示,基于合成生物学和基因编辑等技术,细菌还可用于生产自愈材料、环境感知材料和发光材料等,应用前景十分广泛。

  2020年8月,澳大利亚莫纳什大学(Monash University)开发出一种新型海水淡化技术。研究团队将聚螺吡喃丙烯酸酯加入一种金属有机框架材料的孔隙中,获得一种名为PSP-MIL-53的材料。据介绍,该材料可以在30分钟内将海水等咸水中