2017年材料領(lǐng)域十大創(chuàng)新點
在過去的2016年，新材料的科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展都發(fā)生了一系列變化。那么，下面是小編為大家整理今年的材料領(lǐng)域十大創(chuàng)新點，歡迎大家閱讀瀏覽。
力學(xué)超材料應(yīng)用前景廣闊
“超材料(metamaterial)”指的是一些具有人工設(shè)計的結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料。這些超常性能主要是由其精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，而非組成成分導(dǎo)致的。光子超材料是以往超材料領(lǐng)域最主要的研究方向，能夠通過微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計而體現(xiàn)出負(fù)折射率等自然界不存在的特性。密歇根大學(xué)的研究則實現(xiàn)了一種具有特殊力學(xué)性能的超材料，即材料表面軟硬質(zhì)地可以根據(jù)受力情況轉(zhuǎn)換。施加輕微的壓力可以在不損壞或削弱材料本身的情況下，改變表面剛度幾個數(shù)量級。
這種材料制造的火箭可以在發(fā)射時保持剛性、降落時變軟以實現(xiàn)重復(fù)利用;自行車輪胎可以在騎行時自動變換硬度，以適合任何路況;汽車在發(fā)生事故時方向盤可以及時軟化保護(hù)乘客，不再需要額外的安全氣囊。力學(xué)超材料的發(fā)明也為超材料的發(fā)展提供了新的方向。
仿生材料創(chuàng)意無窮
仿生材料涵蓋的材料種類千差萬別，但模仿、超越生物體材料的性能始終是仿生材料研究的核心思想，并且多年以來產(chǎn)生了大量成果。近期又有多種新型仿生材料出現(xiàn)：模仿蟬翼表面納米錐結(jié)構(gòu)研發(fā)出了具有優(yōu)秀抗霧能力的納米織構(gòu)材料;首次合成了強度及韌性超過生物軟骨、皮膚的合成水凝膠;受到植物種子的啟發(fā)，通過操作微結(jié)構(gòu)來控制熱處理中的各向異性收縮而實現(xiàn)自成形的陶瓷材料。可以預(yù)見在各類材料領(lǐng)域，都有可能產(chǎn)生許多具有奇特性能的新型仿生材料。
新型半導(dǎo)體材料多樣化發(fā)展
隨著以傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的超大規(guī)模集成電路的性能逐漸逼近物理極限，摩爾定律逐漸顯露出失效的趨勢。為了打破即將到來的瓶頸、推動電子信息產(chǎn)業(yè)的持續(xù)進(jìn)步，近年來新的半導(dǎo)體材料始終是材料領(lǐng)域的研發(fā)熱點之一。以往的第三代半導(dǎo)體材料，以及石墨烯開創(chuàng)的二維半導(dǎo)體材料都曾被廣泛關(guān)注。
2016年，來自不同機構(gòu)的科研人員又貢獻(xiàn)了數(shù)種全新的、具有應(yīng)用潛力的新型半導(dǎo)體材料。美國猶他州大學(xué)的科研人員發(fā)現(xiàn)的二維氧化錫(SnO)是有史以來第一種穩(wěn)定的P型(帶正電荷的“空穴”運動)二維半導(dǎo)體材料。“石墨烯之父”安德烈·海姆(AndreGeim)發(fā)現(xiàn)的超薄硒化銦(InSe)則具有相當(dāng)大的帶隙，室溫下的電子遷移率達(dá)到 2,000 cm2/Vs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了硅，在更低溫度下，這項指標(biāo)還會成倍増長。德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的科研人員則發(fā)現(xiàn)了一種柔性的'無機半導(dǎo)體材料SnIP，具有類似于DNA分子的雙螺旋形，體現(xiàn)出了極強的柔韌性，可以反復(fù)折彎而不斷裂。這種材料能夠體現(xiàn)出類似于砷化鎵(GaAs)的電子性能，而且熱穩(wěn)定性更高、原料價格低廉、幾乎沒有毒性。
鈣鈦礦型太陽能電池材料穩(wěn)定性獲突破
有機-無機雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的太陽能電池在2009年被首次報道，在2013年被Science被評為十大科技進(jìn)展之一。這種新型的太陽能電池材料可以以薄膜形態(tài)工作，并且具有高光電效率，因此自誕生之日起就被業(yè)界重點關(guān)注。經(jīng)過近6年的發(fā)展，這類太陽能電池的光電效率就從3.8%穩(wěn)定提高到了22%以上，同傳統(tǒng)硅太陽能電池串聯(lián)后甚至可以達(dá)到30%，并且仍有進(jìn)步空間。2016年，對一直困擾著相關(guān)產(chǎn)品實用化的穩(wěn)定性問題的研究取得了里程碑式的重大突破，新產(chǎn)品被認(rèn)為“可以在室外放置25年”。這一突破是鈣鈦礦太陽能電池實用化進(jìn)程中的一大步。
此外，有機-無機混合鈣鈦礦材料具有的高色純度、低非輻射復(fù)合率和可調(diào)帶隙等特點還使其還有望用于LED照明領(lǐng)域。
國內(nèi)企業(yè)進(jìn)軍高等級碳纖維市場
碳纖維具有非常優(yōu)異的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，被廣泛用于航空航天、交通工具、新能源裝備、工程建設(shè)、體育休閑等領(lǐng)域。長期以來，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，同國外先進(jìn)企業(yè)差距明顯，進(jìn)口產(chǎn)品占整個市場銷量的80%以上。尤其是航空航天、工業(yè)應(yīng)用等高端產(chǎn)品市場，進(jìn)口產(chǎn)品占有率甚至達(dá)到95%，且長期處于被禁運的窘境。
目前，國內(nèi)T300級和T700級碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量已達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。2016年，哈爾濱天順化工科技開發(fā)公司宣布繼去年成功實現(xiàn)低成本T700碳纖維量產(chǎn)后，又利用自產(chǎn)千噸線生產(chǎn)的原絲，再次突破低成本T800級碳纖維生產(chǎn)技術(shù),產(chǎn)品的拉伸強度、拉伸模量等各項指標(biāo)均達(dá)到日本T800級碳纖維技術(shù)水平。中復(fù)神鷹碳纖維公司的千噸級T800原絲生產(chǎn)線也投入生產(chǎn)。這些成果打破了國外禁運的限制，加速了國產(chǎn)碳纖維的進(jìn)口替代步伐。
石墨烯產(chǎn)品的應(yīng)用場景進(jìn)一步豐富
石墨烯問世以來，其神奇性能被多個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域所關(guān)注，大量的潛在應(yīng)用不斷出現(xiàn)。除了傳統(tǒng)的電池電極改性、柔性觸控屏外，石墨烯的新應(yīng)用方向還在不斷出現(xiàn)，潛在市場空間不斷拓寬：利用其超高強度，全球第一輛在車身中添加了石墨烯材料的汽車和自行車分別在英國問世;應(yīng)用了石墨烯的超薄、高靈敏度的紅外傳感器有望將原本價值20,000歐元的CMOS傳感器的價格降至10歐元;一種新型揚聲器摒棄了傳統(tǒng)的電磁激勵振動的原理，利用超多孔石墨烯基結(jié)構(gòu)凝膠的快速冷熱變化帶動空氣振動發(fā)出聲音，能夠產(chǎn)生更高的聲壓。相信石墨烯會在許多其他意想不到的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
智能纖維帶動傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型
在我國，紡織行業(yè)一向被視為典型的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，早年更一度是壓縮落后產(chǎn)能的標(biāo)桿性行業(yè)。“智能纖維”的發(fā)展則給這一行業(yè)帶來了新的升級路徑和市場空間。智能纖維是指能夠感知外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)所發(fā)生的變化，并能做出響應(yīng)的纖維。不同智能纖維的性能可能差距極大，例如相變纖維能夠通過吸/放熱量來實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié);記憶纖維能夠在特定環(huán)境下恢復(fù)原始形狀;凝膠纖維能夠?qū)囟�、pH值、光照、壓力等條件做出體積或形態(tài)方面的響應(yīng);電子纖維能夠?qū)щ娨约跋o電等。各種各樣的智能纖維能夠賦予織物各種奇特的性能，甚至使衣服也實現(xiàn)功能化、信息化，例如能夠?qū)⑷梭w運動能量轉(zhuǎn)化為電能并給手機充電的褲子、具有顯示功能的衣服等。這將為整個紡織行業(yè)帶來一次革命性的發(fā)展機遇。
拓?fù)涑瑢?dǎo)材料奠定量子計算基礎(chǔ)
超導(dǎo)材料的研究已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年，期間經(jīng)歷過多次高潮和沉寂。拓?fù)涑瑢?dǎo)在2006年被發(fā)現(xiàn)以來，迅速成為凝聚態(tài)物理界新的研究熱點。近日，我國科學(xué)家又首次發(fā)現(xiàn)了鐵基高溫超導(dǎo)材料中的一種新型一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)。拓?fù)涑瑢?dǎo)體體內(nèi)是有能隙的超導(dǎo)體，表面能夠產(chǎn)生一種被稱為Majorana費米子的無能隙態(tài)。據(jù)理論預(yù)測，Majorana費米子可以用于量子計算，因此對拓?fù)涑瑢?dǎo)材料的研究將直接關(guān)系到未來計算機的發(fā)展。
氣凝膠逐步走向應(yīng)用
氣凝膠是密度最低的固體材料，曾長期出現(xiàn)在各類科技產(chǎn)品榜單中。主要作為隔熱材料的氣凝膠商業(yè)化產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)十多年，但價格始終居高不下，因此主要應(yīng)用于航天、軍工、核能等尖端領(lǐng)域，市場份額十分有限，僅占整個隔熱材料市場的幾個百分點。
隨著技術(shù)進(jìn)步，氣凝膠產(chǎn)品的性價比逐漸上升，冶金、石化、建材、熱力管網(wǎng)等工業(yè)市場正在逐漸打開，近年來氣凝膠市場的復(fù)合增長率已經(jīng)達(dá)到了36.4%。業(yè)內(nèi)預(yù)計在未來十年左右我國將迎來工業(yè)和建筑保溫材料的一次全面替換，而氣凝膠作為一種革命性的隔熱材料會因此形成數(shù)百億元規(guī)模的潛在國內(nèi)市場。此外氣凝膠在吸附催化、吸音隔音、絕緣、儲能、海水淡化、藥物緩釋、體育器材等消費品領(lǐng)域的應(yīng)用也值得期待。
金屬氫后續(xù)發(fā)展值得關(guān)注
近日，美國科學(xué)家成功將氫氣壓縮制成固態(tài)、可導(dǎo)電的“金屬氫”，率先達(dá)成了全球多個團隊多年以來的研究目標(biāo)，摘得了這一高壓物理學(xué)的“圣杯”。此前，金屬氫被認(rèn)為在木星等大天體的內(nèi)核中存在，地球內(nèi)是不存在的。金屬氫的能量密度高達(dá)218kJ/g，是TNT炸藥(4.65kJ/g)的約50倍，有望用于火箭燃料等用途，同時在290k(16.85℃)的高溫下還能顯示出了超導(dǎo)現(xiàn)象。實驗室中利用特殊處理的金剛石材料制造出了495GPa的極端的高壓環(huán)境才制造出這一物質(zhì)。盡管后來“金屬氫消失”的新聞又引起了廣泛的爭議，但金屬氫的研究本身仍然是值得長期關(guān)注的。
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