世界新材料領域2020年態(tài)勢總結

發(fā)達國家針對新材料領域展開新一輪布局。美國國家科學基金會先后向“材料研究科學與工程中心”和“化學創(chuàng)新中心”合計投入約2.6億美元，圍繞材料、化學領域制定新研究計劃，旨在通過與跨學科、多機構的團隊開展合作，應對相關領域挑戰(zhàn)，并推動新技術發(fā)展。日本產業(yè)經濟省發(fā)布2020年日本工業(yè)技術展望報告，提出2050年前重要技術研發(fā)方向，并指出應將一定資源集中于作為所有領域基礎的材料技術。英國商業(yè)、能源與產業(yè)戰(zhàn)略部正式啟動“可持續(xù)復合材料計劃”，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發(fā)展需要。

美歐韓高度關注原材料供應鏈安全問題。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(fā)，保障美國能源和國家安全。歐盟委員會修訂了關鍵原材料清單，將稀土等30種具有重大經濟和戰(zhàn)略價值的原材料納入清單，同時公布行動計劃，力求擴大供應商網絡，減少對第三國的依賴。韓國政府發(fā)布材料、零組件和設備2.0戰(zhàn)略，大幅擴充戰(zhàn)略產品的供應鏈管理名錄，促進“制造業(yè)回流”，意圖打造零部件產業(yè)強國和尖端產業(yè)世界工廠。

新型高功率電子器件推動信息產業(yè)快速發(fā)展。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學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產生高強度太赫茲電磁波，未來有望廣泛應用于安防、醫(yī)療和通信等領域。俄羅斯開發(fā)出世界上最緊湊的綠光半導體激光器，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具有積極推動作用。美國海軍研究實驗室開發(fā)出應用于5G技術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速率紀錄，能使應用程序獲取毫米波范圍內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成為可能。澳大利亞昆士蘭大學開發(fā)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％，有助于進一步研發(fā)柔性、透明太陽能電池。韓國科學技術研究院開發(fā)出新型硅負極材料，可將電池容量提升4倍，并且支持快速充電，預計將使電動車續(xù)航里程翻倍。

顛覆性新材料技術不斷涌現(xiàn)，帶來高技術產業(yè)新變革。在二維材料方面，美國斯坦福大學利用二維材料制備出的超薄異質結構，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)邦理工學院設計出的一種基于二維半導體材料的新型器件，可用于構建類似于大腦神經元的節(jié)能電子系統(tǒng)，未來有望應用于可穿戴設備和人工智能芯片領域。在智能材料方面，英國劍橋大學研發(fā)出一種人造變色皮膚，在光照或加熱時會變色。中國天津大學成功研發(fā)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”。在超材料方面，美國南加州大學受鯊魚皮膚啟發(fā)，研發(fā)出可控制聲波傳播方式的新型智能聲學超材料。土耳其畢爾肯大學與英國曼徹斯特大學合作設計出一種模塊化超材料，可用于數(shù)據(jù)加密和可逆解密。

世界新材料領域2021年趨勢展望

機器學習技術推動新材料研發(fā)新變革。傳統(tǒng)的新材料研發(fā)過程主要依賴科學直覺與實驗判斷，再加上大量的重復性實驗來完成驗證。而借助機器學習技術，新材料的研發(fā)和應用周期有望縮短一半以上。例如，美國能源部利用機器學習技術加速從新材料發(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；日本利用機器學習工藝研發(fā)鋁合金等新材料；英國采用機器學習技術預測鋰離子電池安全狀況。2021年，美日歐等國家和地區(qū)仍將進一步推動機器學習技術在新材料研發(fā)中的應用，以爭奪未來科技競爭制高點。

新興產業(yè)快速發(fā)展促使新材料產品不斷更新?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)保等新興產業(yè)領域保持較快發(fā)展勢頭，這對關鍵基礎材料提出新的挑戰(zhàn)和需求。美歐日韓等發(fā)達國家出臺一系列相關科技政策，如美國《國家納米技術計劃》、日本《第五期科學技術基本計劃》、韓國《第四次科學技術基本計劃》，旨在助推新材料技術及產品研發(fā)，使其更好地滿足新興產業(yè)發(fā)展需求。2021年，先進信息材料、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品將大量涌現(xiàn)，為新興產業(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，高強輕合金、特種合金、碳纖維以及新型環(huán)保材料等技術將加速突破，引領航空航天、電力電子、新能源等產業(yè)深度變革。同時，隨著智能制造的快速發(fā)展，新材料技術正加速向智能化方向發(fā)展。2021年，自修復材料、自適應材料、新型傳感材料、4D打印材料等智能材料技術將大量涌現(xiàn)，為生物醫(yī)療、國防軍事以及航空航天等領域發(fā)展提供支撐。