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世界新材料領(lǐng)域2020年態(tài)勢總結(jié)

發(fā)達(dá)國家針對新材料領(lǐng)域展開新一輪布局。美國國家科學(xué)基金會先后向“材料研究科學(xué)與工程中心”和“化學(xué)創(chuàng)新中心”合計投入約2.6億美元，圍繞材料、化學(xué)領(lǐng)域制定新研究計劃，旨在通過與跨學(xué)科、多機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊開展合作，應(yīng)對相關(guān)領(lǐng)域挑戰(zhàn)，并推動新技術(shù)發(fā)展。日本產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)省發(fā)布2020年日本工業(yè)技術(shù)展望報告，提出2050年前重要技術(shù)研發(fā)方向，并指出應(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)。英國商業(yè)、能源與產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略部正式啟動“可持續(xù)復(fù)合材料計劃”，著眼于復(fù)合材料的全生命周期，確保其滿足未來飛機(jī)、汽車與風(fēng)電渦輪機(jī)等領(lǐng)域發(fā)展需要。

美歐韓高度關(guān)注原材料供應(yīng)鏈安全問題。美國能源部宣布提供1800萬美元的基礎(chǔ)研究資助，旨在推動關(guān)鍵礦物和稀土元素供應(yīng)鏈的研究與開發(fā)，保障美國能源和國家安全。歐盟委員會修訂了關(guān)鍵原材料清單，將稀土等30種具有重大經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略價值的原材料納入清單，同時公布行動計劃，力求擴(kuò)大供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)，減少對第三國的依賴。韓國政府發(fā)布材料、零組件和設(shè)備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)國和尖端產(chǎn)業(yè)世界工廠。

新型高功率電子器件推動信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研制出一種由間距20納米的雙金屬片組成的高功率太赫茲器件。這種器件可在皮秒時間內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲電磁波，未來有望廣泛應(yīng)用于安防、醫(yī)療和通信等領(lǐng)域。俄羅斯開發(fā)出世界上最緊湊的綠光半導(dǎo)體激光器，對構(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)域具有積極推動作用。美國海軍研究實驗室開發(fā)出應(yīng)用于5G技術(shù)的新型氮化鎵基諧振隧穿二極管（RTD）。該電子器件打破了傳統(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)的電磁波以及太赫茲頻率。

新能源材料推動電池行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。美國華盛頓州立大學(xué)開發(fā)出媲美鋰電池的鈉離子電池，在1000次循環(huán)充電后仍能保持80％以上的電量。該項研究使利用豐富而廉價材料開發(fā)一種可行電池的技術(shù)成為可能。澳大利亞昆士蘭大學(xué)開發(fā)出能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)16.6%的新型量子點太陽能電池，比此前世界紀(jì)錄高出近25％，有助于進(jìn)一步研發(fā)柔性、透明太陽能電池。韓國科學(xué)技術(shù)研究院開發(fā)出新型硅負(fù)極材料，可將電池容量提升4倍，并且支持快速充電，預(yù)計將使電動車?yán)m(xù)航里程翻倍。

顛覆性新材料技術(shù)不斷涌現(xiàn)，帶來高技術(shù)產(chǎn)業(yè)新變革。在二維材料方面，美國斯坦福大學(xué)利用二維材料制備出的超薄異質(zhì)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱性能，有望用于電子器件超輕隔熱罩。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院設(shè)計出的一種基于二維半導(dǎo)體材料的新型器件，可用于構(gòu)建類似于大腦神經(jīng)元的節(jié)能電子系統(tǒng)，未來有望應(yīng)用于可穿戴設(shè)備和人工智能芯片領(lǐng)域。在智能材料方面，英國劍橋大學(xué)研發(fā)出一種人造變色皮膚，在光照或加熱時會變色。中國天津大學(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、深海探測器和極端條件下各類高科技設(shè)備的“超級電子皮膚”。在超材料方面，美國南加州大學(xué)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。土耳其畢爾肯大學(xué)與英國曼徹斯特大學(xué)合作設(shè)計出一種模塊化超材料，可用于數(shù)據(jù)加密和可逆解密。

世界新材料領(lǐng)域2021年趨勢展望

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)推動新材料研發(fā)新變革。傳統(tǒng)的新材料研發(fā)過程主要依賴科學(xué)直覺與實驗判斷，再加上大量的重復(fù)性實驗來完成驗證。而借助機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，新材料的研發(fā)和應(yīng)用周期有望縮短一半以上。例如，美國能源部利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)加速從新材料發(fā)現(xiàn)到大規(guī)模部署的過程，消除測試評估候選材料性能等瓶頸；日本利用機(jī)器學(xué)習(xí)工藝研發(fā)鋁合金等新材料；英國采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)預(yù)測鋰離子電池安全狀況。2021年，美日歐等國家和地區(qū)仍將進(jìn)一步推動機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在新材料研發(fā)中的應(yīng)用，以爭奪未來科技競爭制高點。

新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展促使新材料產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代。近年來，高端裝備、電子信息、新能源、生物醫(yī)用、3D打印及節(jié)能環(huán)保等新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域保持較快發(fā)展勢頭，這對關(guān)鍵基礎(chǔ)材料提出新的挑戰(zhàn)和需求。美歐日韓等發(fā)達(dá)國家出臺一系列相關(guān)科技政策，如美國《國家納米技術(shù)計劃》、日本《第五期科學(xué)技術(shù)基本計劃》、韓國《第四次科學(xué)技術(shù)基本計劃》，旨在助推新材料技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)，使其更好地滿足新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。2021年，先進(jìn)信息材料、新能源材料、生物醫(yī)用材料、節(jié)能環(huán)保材料、3D打印材料等新材料產(chǎn)品將大量涌現(xiàn)，為新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供支撐作用。

新材料繼續(xù)向綠色化、輕量化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級。近年來，環(huán)境污染、能源短缺的問題日漸突出，節(jié)能、環(huán)保、輕量化逐漸成為新材料發(fā)展的主要趨勢之一。2021年，高強(qiáng)輕合金、特種合金、碳纖維以及新型環(huán)保材料等技術(shù)將加速突破，引領(lǐng)航空航天、電力電子、新能源等產(chǎn)業(yè)深度變革。同時，隨著智能制造的快速發(fā)展，新材料技術(shù)正加速向智能化方向發(fā)展。2021年，自修復(fù)材料、自適應(yīng)材料、新型傳感材料、4D打印材料等智能材料技術(shù)將大量涌現(xiàn)，為生物醫(yī)療、國防軍事以及航空航天等領(lǐng)域發(fā)展提供支撐。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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