縱觀（guān）曆史，人類社會（huì）生產力的提升、政治軍（jun1）事的變革，背後往往伴隨著新材料的誕生（shēng）。可以說，人類文明的變革史，也是一部（bù）新（xīn）材料發現與利用的曆史（shǐ）。近幾十年來，眾多高新技術產業和新興產（chǎn）業的發展，都（dōu）以新材料技術的突破（pò）為前提和基礎（chǔ），尤其是電（diàn）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（kē）技與產業革命（mìng）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（cè）之一，旨在搶占科技與（yǔ）產業發展的製高點。2020年，全（quán）球政治經濟形勢發生了深刻複雜的變化，世界經濟重心調整、國際（jì）政治經濟（jì）格局（jú）加速變化及國（guó）際貿易摩擦持續（xù）上演，這些給中（zhōng）國新材（cái）料（liào）產業升級帶來巨（jù）大的挑（tiāo）戰，同時也（yě）帶（dài）來了新的機遇。在可（kě）見的未來，新材料與消費電子（zǐ）、新能（néng）源汽車、人工（gōng）智能、5G、智慧城市、智能家居及數字經濟等新興產業的發展（zhǎn）將會高度融合，新材料創新的步伐將會持續加（jiā）速。
一、世界新材料（liào）技術及產業發展重要動向（xiàng）
近年來，綠色可持（chí）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（huà）及智（zhì）能化（huà）方向轉型升級。2020年，在國家政（zhèng）策和下遊市場的雙重推動下，中國新材料產業持續保持穩定增長的態勢。據中商（shāng）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（wéi）4.5萬億（yì）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（huà）的陰霾依舊濃重，針對某些國家和地區的（de）科技遏（è）製仍在不斷上演，極大限製了（le）這（zhè）些國家和地區的高（gāo）技術發展（zhǎn）。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（jí）大威脅。在此背景下，世（shì）界各國（guó）繼續保（bǎo）持對新材料（liào）研發的高度關注，旨在以此推動電（diàn）子信息、5G通信、新能源和生物醫療等產業的發展變革。
（一（yī））發達國家針對新材料領域展開新一（yī）輪布局
當前，世界主（zhǔ）要國家普遍麵臨人口老齡化、環境（jìng）資源惡化及經濟發展緩慢等諸多挑（tiāo）戰。從全（quán）球範圍來看，科技強國無一不（bú）在積極部署人工智能、先進製造、新能源和生物醫療等前沿技術領（lǐng）域，致力於通過科技發展解決人口、環境和經濟等方麵的難題。新材料作為發展前沿技（jì）術的基礎，更受到世（shì）界各國的廣泛重視。2020年，美歐（ōu）日等（děng）科技強（qiáng）國（guó）和地區（qū）出台的科技戰略或規劃中，都將新材料作為未來（lái）的優先研發事項，以支撐新興產業發（fā）展。
（1）美國圍繞（rào）材料、化學領域製定新研究計劃
2020年7月，美國國家科學基金會先後宣布向“材料研究科學與工程中心”和“化學創新中心（xīn）”合計投入約2.6億美元，旨在通過與跨學科（kē）、多機構的團隊開展合作，應對相關領域的挑戰（zhàn），推動新技術（shù）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麵：一是雜化、活性和響應材（cái）料，重點是合成具有自組（zǔ）裝（zhuāng）和其他（tā）預設（shè）計特性的納米材料，主要方向（xiàng）涉及基於（yú）仿生技術和新型有機材料製造的（de）納米機器，以及使雜（zá）化無機量子材料用於新的光電電路或器件；二（èr）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（bāo）括（kuò）研製出能夠承受極端環境的具有空前物理性能的材（cái）料（liào）；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（xiàng）包括通過強大的計算機係統來理解、預測並最終控製材料的性質（在（zài）僅大於分子的微觀尺度層麵），以（yǐ）及利用革命（mìng）性生物技術工具來構建新的材料類別，使其以有效的方式（shì）對周圍環境刺激（jī）做出反應等。
此外，在化學領（lǐng）域（yù）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麵：一是合成有機電（diàn）化學，通過新的合（hé）成化學、預測理論和表麵（miàn）化（huà）學，探索新型電化學反應在有機合成（chéng）和材料（liào）化學中的應用；二是基因編碼材料，致力於合成受自然“工程機械”核糖體啟發（fā）的聚合物，使其既具有預設（shè）的多樣化序列，又（yòu）有特定的長（zhǎng）度；三（sān）是可持續納米技術（shù），評（píng）估納米技術對環境和生物分子水平的影響，範圍涉及電池、電子產品和靶向藥物等。
（2）日本、英國持續關注新材料（liào）產業發展，致力（lì）於打造科技創新優勢（shì）
2020年5月，日本經濟產業省發布《2020年日本（běn）工業技術展望報告》，旨在重新評估日本（běn）技術創新停滯的基本問題，並提出2050年前重要技術的研發方向。該報告指出，一方麵，日本需要進一步提升（shēng）創新水（shuǐ）平，向資源循環型經濟過渡，解決災害、傳染病等社會問（wèn）題並（bìng）增強工業競（jìng）爭力；另一方麵，近年來日本技術創新狀況並不理想，此（cǐ）次新（xīn）冠肺炎疫情引起的危機也凸顯出超智能（néng）社會（社會5.0）準備的不足。為（wéi）實現社會（huì）5.0，日本經濟產業（yè）省認（rèn）為應（yīng）將一定資源集中於作為（wéi）所有領域基礎的材料技術領域（yù）。
2020年7月，英國商業、能源與產業戰略部正式啟動“可持續複合材料（liào）計劃”（Sustainable Composites），著（zhe）眼於複合材料的全生命周期，確保其滿足未來飛機、汽車與風電（diàn）渦輪機（jī）等領域的（de）發展需要。該計（jì）劃（huá）將利用英國領先（xiān）的複合材料領域的研（yán）究成果和技術開發能（néng）力，實現複合材（cái）料回（huí）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（yōu）勢。具體而言，該計劃一（yī）方麵將致力（lì）於加快英國創新複合材料回收（shōu）技術（shù）的開發，解決當前（qián）複合材料回收再利用難（nán）題；另一方麵將利用蔬菜廢料、堅果殼和藻類等生（shēng）物基材料，製成新（xīn）型可（kě）持續發展的複合材料。
（3）對中國的影響與（yǔ）啟示（shì）
新（xīn）材（cái）料是（shì）社（shè）會進步、經濟發（fā）展（zhǎn）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（jiā）而言（yán）意義重大。然而，中（zhōng）國關鍵基礎材料（liào）受製於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（yīn），主要在於（yú）中國新材料技術領域中存在創新機製不合理（lǐ）、產業轉化機（jī）製（zhì）不完（wán）善、工程（chéng）化周期長等問題。對此，中國（guó）應積（jī）極探索新材料的產業技術創新模式，借鑒（jiàn）其他國家和地（dì）區在新材料產業技術（shù）的創新機製、投資結構及模式、利益分享機製等（děng）方（fāng）麵（miàn）的經驗，同時要充分結合國內具體（tǐ）現狀，加速建設具（jù）有（yǒu）中國特色的新材料產業（yè）技術創新範式。
此（cǐ）外，新（xīn）材料種（zhǒng）類繁雜、涉及麵極（jí）廣且各細分新（xīn）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（yě）要“因材施策”。對於鋼鐵、有色、陶瓷、化工和建材等基礎性、技術成熟度較高（gāo）的材料，應充分（fèn）發揮市場作用，采取產學研（yán）合作型、企業聯盟型模式，推（tuī）動建立以應（yīng）用企業投入為主的研發機製，圍繞實際需求開展創新（xīn）活動；對於（yú）特種合金、特種橡膠、碳纖維、半（bàn）導體材料和（hé）特種（zhǒng）玻璃等投入較大、回報期較長的戰略性材料，通過（guò）政府采購、軍方采購等形式（shì），整合（hé）政府、軍方、科研機構和企業資源，構建高（gāo）效的產用結（jié）合機製，實現研發製造與產品（pǐn）應用的（de）反複迭代，破（pò）解“有材不敢用”的難題；對於石墨烯（xī）、納米材料和智能材料等前沿性材料（liào），應強化高校院所的主體作用，發揮政府的（de）引導作用，通過搭（dā）建平台，吸引更（gèng）多的社會力（lì）量參與技術創新及產業化。
（二）美歐韓高度關注原材料供（gòng）應鏈（liàn）安全問題
新材（cái）料在高技（jì）術發展中具有支撐性、引領性和顛覆（fù）性作用，在發展（zhǎn）光電信息、新能源（yuán）、生物醫療和節能（néng）環保等（děng）技術（shù）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（rì）韓半導體貿易摩擦及新冠肺炎疫情等事件相繼爆發（fā），給全球（qiú）高技（jì）術產業供應鏈帶（dài）來巨大壓力。在此背景下，歐、美、韓等（děng）發（fā）達經濟體（tǐ）日益重視上（shàng）遊原材料的供應安全問題，開始（shǐ）致力於將關鍵材料的供應分散化、本土化，以避（bì）免（miǎn）本國技術產業受製於人，甚至受（shòu）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（xī）土材料（liào）對外依賴
2020年4月，美國能源部（bù）宣（xuān）布提供（gòng）1800萬美（měi）元的基礎研究資助，旨在推動（dòng）關鍵礦物和稀土元（yuán）素供應鏈的研究與開發，保障美國能源和國（guó）家（jiā）安全。該研究（jiū）將尋求根（gēn）本性突（tū）破方法，提高對美國經濟運（yùn）轉至（zhì）關重要的稀土元素的可（kě）獲得性或減少其使用量，確保稀土（tǔ）元素及其有效替代品的持續供應。該研究（jiū）關注方向包括以下3點（diǎn）：一是開（kāi）展稀（xī）土物理與（yǔ）化學的理（lǐ）論和實驗研究，了解稀土元素及其電子結構在（zài）決定材料和（hé）分子的（de）物理與（yǔ）化學性質中的作用，加速材料和分子（zǐ）設計及發現；二是通過假設驅動（dòng）研究（jiū），開發新（xīn）的設計和合成（chéng）方法，以改進（jìn）功能，減少或消（xiāo）除稀土元素的使用；三是利用新的分離原（yuán）理與方法提高（gāo）從複雜混合物（如礦石加（jiā）工、礦山尾（wěi）礦或再生（shēng）材料（liào））中提取稀土的效率（lǜ）。
2020年5月，美國能源部宣布向（xiàng）關鍵礦物與稀土研究領域增投3000萬美元，重點資助（zhù）下一代關鍵材料的提取、分（fèn）離和處理技術創新（xīn），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（liào）供應鏈中斷的風險。美國能源（yuán）部（bù）希望通過該投資推進關鍵（jiàn）原材料供應鏈的（de）研究、開發和部（bù）署，以增強美國的國防工業基礎。
（2）歐盟反（fǎn）思關鍵原材料供應問題，對（duì）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（liào）清單（List of CRMs），將稀土等30種（zhǒng）具有重大經（jīng）濟和戰略價值的原（yuán）材料納入清單，同時（shí）公（gōng）布行動計劃，力求擴大供應商網絡，減少對第（dì）三國的依賴。鑒於關鍵礦產對於歐盟製造業的戰略重要（yào）性，歐盟於2008年就啟動了《原（yuán）材料倡議》（The Raw Materials Initiative），關（guān）鍵原材料清單製定就是該倡議（yì）的一項重要成果。自2011年起，歐盟每3年更新一次關鍵原（yuán）材料清單。與（yǔ）2017年9月更（gèng）新的名單（共計27種原材料）相比，此次更新的名單（dān）移除了氦，保留了其餘26種原材料，新增了鋰、鍶、鈦、鋁土礦4種原材料。
歐盟委員（yuán）會警告稱，歐盟成（chéng）員國過度依賴關鍵原材料（liào）進口，如中國承擔了歐盟98%的稀土供應，土耳其承（chéng）擔了98%的硼酸鹽供應，南非承擔了71%的（de）鉑供應及比例更高的鉑族金屬（shǔ）供應。過度依賴原（yuán）材料進口有可能威脅到歐盟（méng）航空、汽車和新能源（yuán）等關鍵行業（yè），並使歐盟麵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（yòng）於製造電池和可再生能源設（shè）備的原材料短缺，有可（kě）能威脅歐盟（méng）到2050年（nián）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（qiú）安全可持續的供給（gěi）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（méng）”（European Raw Materials Alliance）。該聯（lián）盟（méng）的初步（bù）目標是為了增強歐盟在稀土和磁鐵供應鏈中的抗風（fēng）險能力，未來還將擴展（zhǎn）到其他原材料領域。此外（wài），歐盟還計（jì）劃（huá）發（fā）展（zhǎn）國際戰略（luè）合作夥伴關係，擬於（yú）2021年與（yǔ）加拿大、非（fēi）洲相關國（guó）家展開合（hé）作，促進當地采礦業（yè）可持續發展並承擔社（shè）會責任，滿足歐盟對（duì）關（guān）鍵原材料（liào）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（yī）賴
2020年7月（yuè），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（lǐ）名錄，促進“製造業回流”，意（yì）圖打造（zào）零部件產業強（qiáng）國和尖端產業世界工廠（chǎng）。為此，韓國政府計劃（huá）在（zài）2022年前投資5萬億韓（hán）元，其中包括在2021年（nián）先對（duì）半導體、生物和未（wèi）來（lái）汽車三大產業投入2萬億（yì）韓元。同時，韓國政府還將選拔100家具有發（fā）展潛力的核心戰略技術龍頭（tóu）企業進行重點扶（fú）持，確保（bǎo）其具有國際（jì）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（fā）、招商引（yǐn）資的合作協議，助力新政（zhèng）策落地。
2019年，韓國政府（fǔ）為降低對日本進口產品的依賴，在半（bàn）導體、顯示器等六（liù）大領域選定100種關鍵戰略產品，希望通過進口來源多元化（huà）、提高國產化程（chéng）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（guó）及印度等相關的戰略產品，總數增至338種，戰略產品的範疇也在此前的六大（dà）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（shì）所有高科技產業鏈的（de）上遊，新材料供應被“卡”住就相當於高科技產業從源頭上被“卡（kǎ）脖子”，後果不（bú）堪設想。新材料供應問題主要包括兩個方麵：一是關鍵礦產供應安全問題，如鈷礦、稀土（tǔ）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（jù）有重要影響；二是高性能關鍵材料的供應安（ān）全問題，如（rú）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（liào），往（wǎng）往被國（guó）際上（shàng）的少數科技巨頭把控。
近年來，美國對世界（jiè）多國（guó）發起“貿易戰”，相繼在國際組（zǔ）織中（zhōng）“退（tuì）群”，並在西方大（dà）肆渲染中國威（wēi）脅論。在此背景下，中國（guó）關鍵原材料安全或將受到非（fēi）常大（dà）的挑戰：一是中（zhōng）國獲取境（jìng）外資源的外部風（fēng）險不斷增加，存在“源頭斷（duàn）供”的（de）風險；二（èr）是美歐等國家和地區尋求建（jiàn）立原材料產業聯盟，或（huò）給中國關鍵原材料進出口帶（dài）來嚴峻挑戰。當前，新一輪（lún）科技革（gé）命孕（yùn）育興起，正催生全球範圍內的新一輪產業（yè）競爭。作為（wéi）新一輪科技革命的動力之源，關鍵礦產（chǎn）資（zī）源的國際競爭將越發激烈，未來甚至可能會重（chóng）塑國家的科（kē）技競爭力。對此（cǐ），中國應從國家戰略層麵高（gāo）度重視（shì）關鍵（jiàn）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（kuàng）產資源勘探、提升循（xún）環利用率（lǜ）、參與全球礦產資源治理等環節，切（qiē）實（shí）保障中國未來關鍵礦產資源的（de）安全。
（三）先進信息材料研發進（jìn）展迅猛，高（gāo）功率與高效率成為發展重（chóng）點
縱觀全球，信息產業已成為世界科技強國最重要的支柱（zhù）產業之一（yī）。近年來，人工智能、量子信息及大數據等信息技術快速發展（zhǎn），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（de）強（qiáng）力推動下，先進信息材料不（bú）斷湧現，為人工智能、量子信息和大數據等產業的發展提（tí）供了（le）物質基（jī）礎。
（1）發達（dá）國家（jiā）研製出（chū）新型高功率電子器件（jiàn），推（tuī）動信息（xī）技術快（kuài）速發展
2020年3月，瑞士洛（luò）桑聯邦理工學院功率和寬帶間隙電子研究實驗室研製出一種由間距20納米的雙金屬片（piàn）組成的高功率太赫茲（zī）器（qì）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（lí）子體），從而產生高功率、高強度的太赫茲電磁（cí）波。該技術結合了納米製造技術和等離子體技術，成功解決（jué）了傳統器件無（wú）法同時兼顧高功率和納米尺寸的問題。新型器件具有結構（gòu）緊湊、成本低和易於製造等優勢，未來（lái）有望廣泛應用於安防、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（suì）穿二極管”的新型氮化镓基電子器件。氮化（huà）镓基“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（chū）功率都高，其速率快慢的關鍵（jiàn）在（zài）於（yú）采用了氮化镓材料。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（diàn）子（zǐ）會穿過物（wù）理壁壘，從而產生電流。此外，氮（dàn）化镓基（jī）“諧振隧穿二極（jí）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（huò）取毫米波範（fàn）圍內的電磁波及太赫茲頻率。目前，研究團隊與俄亥俄（é）州立大學、懷特州立大學（Wright State University）聯合（hé）致力於繼續改進（jìn）“諧振隧穿（chuān）二極管”設計（jì），使其在不增加電能損耗的同時繼續提升電（diàn）流傳輸（shū）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（yuè），北京大學製備出高密度高純半導體陣列碳納米管材料（liào），並在此基礎上首次實現了性能超越同等柵長矽基互補金屬氧化物半導體（tǐ）（CMOS）技術的晶體管（guǎn）和電路，展現出碳管電子學的優勢。碳納米管集成（chéng）電路批量化製備的前提是（shì）實（shí）現超高半（bàn）導體純度、順排、高密度及大麵積均勻的碳納米管陣列薄膜。長期以（yǐ）來，材料問題的製約（yuē）導致碳管晶體（tǐ）管（guǎn）和集成電（diàn）路的實際性能（néng）遠低於理論預期，甚至落後於相同節點（diǎn）的矽基技術至少一個數量級，是碳管電子學領域麵臨（lín）的最大技術挑戰。該項工作突破了長期以來阻礙碳管（guǎn）電子（zǐ）學發展的瓶頸，首次在實驗上顯示出碳管（guǎn）器件和集成電路較傳統技（jì）術的性能優（yōu）勢，為推進碳基集（jí）成電路的實用化發展奠定了基礎。
2020年6月，俄羅斯聖彼得堡國（guó）立信（xìn）息技術、機械學與光學研（yán）究型大學宣布開發出世界（jiè）上最緊湊（còu）的綠光半導體激（jī）光器。該（gāi）半導體激光器產生的綠色相幹（gàn）激光可以很容易地被追蹤到，甚至在（zài）光學顯微鏡下用肉眼就能夠觀測到。新型半導（dǎo）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（yǐng）設計還可有效囚（qiú）禁受激發（fā）射的能量，從而為產生激光提供足夠高的電磁場放大（dà）率。該項研（yán）究對構造光芯片、微傳感器和其他使用光作為信息傳（chuán）輸和處（chù）理媒介的器（qì）件領域的發展（zhǎn）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（jí）半（bàn）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（duàn）。這些材料的應用將顛覆未來的（de）信息技術和器件（jiàn），如量子（zǐ）計算機、微納型芯片、超級存儲器及新型圖像（xiàng）傳感器等（děng），在新能源、信息、生（shēng）物醫療、人工智能（néng）和航空航天（tiān）等領域具有非常廣闊的應用前景。中國信（xìn）息材料雖然占（zhàn）領了（le）中（zhōng）低端領（lǐng）域市場，但在高端領（lǐng）域依然無法與美日等發（fā）達國家競爭。對此（cǐ），中國應從（cóng）三個方麵（miàn）采取措施：一是加大對高校、科研院所、企業及公共平台的引導和支持，不斷積累技術經驗，夯實基礎；二是提高自主（zhǔ）創新能力和產業核心技術，如突破高端芯片製造技術，打破西方的壟斷和封鎖；三是加大基礎研究，開發各種顛覆（fù）性應用技術，實現產業化突破。
（四）顛覆性新材料技術不斷湧現，帶來高技術產業新變革
新材料技（jì）術的發展與基礎科學理論的突破息息相（xiàng）關（guān）。近年來，人工智能、機器學習及凝聚態物理（lǐ）等領域的發展，使得許多顛覆性新材（cái）料技術（shù）不斷湧現，未來有望帶來高技術產業的新（xīn）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（xīn）材料研發新（xīn）變革
2020年3月，美國（guó）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（xìng）能的新方法（fǎ）。該方法旨在利用機器（qì）學習技術加速從新材料發（fā）現到（dào）大規模部署的過程，減（jiǎn）少了測試和評估候選材料性能的（de）工作量，大幅減少了材料部署的時（shí）間。以三氨基三硝基苯（TATB）為例，該材料是一種鈍感高能（néng）炸藥，合成反應條件的微小變化就可能引起（qǐ）較大的性能變化。因此，測（cè）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（de）掃描（miáo）電（diàn）子顯微鏡圖像進行分析，從（cóng）而避免繁多的物理測試。研究結果表明，與專家評（píng）估和儀器分析（xī）等常（cháng）規方法相比，新方法可以（yǐ）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（yī）種機器學習工藝，可以（yǐ）製備具有特定（dìng）及所（suǒ）需機（jī）械性（xìng）能的鋁（lǚ）合金。鋁合金是一種輕質節（jiē）能材料，主要由鋁製成，同時也含有鎂、錳、矽、鋅和銅等其他元素（sù）。各種元素和製造工藝的組合意味著鋁合金麵對各種應力時的彈性不同。然而，在生產鋁合金時（shí）需要驗證各種元素與製造工藝的組合，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（shù）據輸入到機（jī）器學習模型中，從而訓練模型理解（jiě）合金不同機（jī）械性能與不同組成元素之間的關係，以及與生產過程中應用的熱處理（lǐ）類型之間的關係。一旦（dàn）具有足（zú）夠的數據，該模（mó）型就可以預測生產具（jù）有特定機械性能（néng）的新合金需（xū）要何種元素和生產工藝，而且所有上述工作（zuò）都（dōu）無須人工監督。新工藝有助於加快鋁合（hé）金等新材料的研發速率（lǜ）。
（2）前沿新材料技術不斷（duàn）取得突破
超材料方麵，2020年11月，中國香港（gǎng）城市大學研究人員（yuán）采（cǎi）用真空液體填充技術在聚合物（wù）薄殼中注入液態金（jīn）屬镓（Ga），首次製備了液態金屬聚合物核殼結構的微點陣力學超材料。目前（qián）的金屬微點陣力學超材（cái）料具有（yǒu）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（hǎo）的應用前景。但是，這類（lèi）超材料（liào）的韌性較（jiào）差，在服役過程（chéng）中容易脆斷失效。中國香港城市大學研發的新（xīn）型超（chāo）材料不僅具有（yǒu）良好的韌性（xìng），而且充分利用低溫度範圍下液態金屬（shǔ）的特性，實現了類似科（kē）幻電影中複雜形態液態金屬的自我（wǒ）修複（fù）功能，在生物醫療器械、微電子器件及微型機器人等領域（yù）有巨大應用潛力。
二維材（cái）料（liào）方麵，2020年（nián）9月，受（shòu）美國DARPA和美國空軍研究實（shí）驗室（Air ForceResearch Laboratory，AFRL）等資助（zhù），斯坦福大（dà）學研究人員利用（yòng）二（èr）維材料製備出超（chāo）薄（báo）異（yì）質結構，並表現出優異（yì）的隔熱（rè）性（xìng）能。研究人員（yuán）以二氧化矽/矽為襯底，先後沉積原子（zǐ）層厚度（dù）的單層二硒化鎢（wū）、二硫（liú）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，並用（yòng）拉曼光譜測量每層材料的（de）溫度。測試結果顯示，該二維材料異質結構的熱導率與290～360納米厚的二氧化矽相當。該項研究將促進二維材料（liào）在熱電（diàn）器件領域的應用。該異質結構也有望用作電（diàn）子器件的超輕隔熱罩。
（3）對中國的影響與啟（qǐ）示
近年（nián）來，全球前沿新材料研究熱度持續上升，新材料開（kāi）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（shí）墨烯、量子（zǐ）點、超材料、仿生（shēng）智能材料、超導（dǎo）材料、柔（róu）性（xìng）材料及光催化材料等不斷得到（dào）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（yè）革命製高點，紛紛製訂了相（xiàng）應的發展計劃和預期目標，並實施相應策略（luè），推進前沿新材料跨越式發展（zhǎn）。中國前沿新（xīn）材料的發展（zhǎn）基本與世界同（tóng）步，特別是（shì）近年來中國（guó）在引領（lǐng）支持、研發投入、人力資源（yuán）配置（zhì）及創新體製改革等方麵不（bú）斷（duàn）加大（dà）力度，前沿新材料發（fā）展非常迅猛，某些領域已躋身全（quán）球強國之列。
但同先進國家相比，中國前沿（yán）新材料在自主創新、新（xīn）產品開發應用、研（yán）究範式變革和高端產業化等方麵還有一定差（chà）距。對此，中國應對全球前沿材料發展態勢有（yǒu）更充分的認識和把握，並重點（diǎn）在以（yǐ）下四個方麵實現標誌性突破：一是（shì）加強材料科技前（qián）沿性基礎研究，國家在前沿基礎研究方麵應發揮引領、支持和協調的重要作用，應確定部門職責，推進（jìn）跨部門跨（kuà）領域全麵（miàn）合作，保證研究規（guī）範有序及高效地（dì）運（yùn）作，取得高質量、高水平、強時效性的研究（jiū）成果；二是加強創新體係建設，強化戰（zhàn）略部署和戰略管理，充分做好（hǎo）新材料研發的頂層設計（jì），培養和（hé）打造一批（pī）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（shí）現一批前沿性新興技術的突破；三是完善產學研（yán）機製，采取政（zhèng）策導向和財經支持，加（jiā）速新材料研究成果（guǒ）轉化和產業化；四是提高自主創（chuàng）新能力，推進研究範式變革。
二、高性（xìng）能結構材料
高（gāo）性能結構材料是指具有高強度、高韌（rèn）性、耐高溫、耐（nài）磨損及抗腐（fǔ）蝕等特（tè）殊性能的材料，是支撐航空航天、交通（tōng）運輸、能源動力及國家（jiā）重（chóng）大基礎工程建設等領域的重要物質基礎。近年來，高性能（néng）結構材料的發展趨勢主要（yào）有三點：一是輕（qīng）量化，這與全球低碳、可（kě）持續發展思潮同步；二是結構功能一體化，如（rú）具備一定的抗氧（yǎng）化、抗（kàng）腐蝕和抗輻照（zhào）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（gāo）溫性、抗（kàng）腐蝕性和高延展性等特性的（de）新型材（cái）料，主要包括鈦、鎂、鋯（gào）及其合金，鉭铌，硬質（zhì）材（cái）料等，以及高端特殊鋼、新型鋁材等（děng）。2020年，高性能金屬結構材料領域（yù）取得以下幾個方麵的進展（zhǎn）。
（1）鋁合金研（yán）究取得多項突破
2020年2月，美國（guó）電動車製造商特斯拉（Tesla）研發出一種（zhǒng）新型鋁合金，解決（jué）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（lèi），一類（lèi）具有高強度，另一類具有高導電性。對於某些應用場景，如電動汽車內（nèi）部的部件，要求（qiú）同（tóng）時具有高強度和高導電性。此外，由於需（xū）要通過鑄造工（gōng）藝製備這些電動汽車部件，因（yīn）此不能使用鍛（duàn）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（líng）部件新型鋁合金，屈服強度可達90～150兆帕，導電性（xìng）可以達到40% IACS（國（guó）際退火銅標準）至60% IACS，兼（jiān）具高強度（dù）和高（gāo）導電性。從Model S和Model X車身上采（cǎi）用的大量鋁材可以看出，新鋁合金材料（liào）未來或可應用到特斯（sī）拉旗下產品中。
2020年10月，澳大利亞莫納（nà）什大學（Monash University）提出一種改進鋁合（hé）金疲（pí）勞強度（dù）的（de）組織設（shè）計新概念——“疲勞失效”法（fǎ），即通過修改鋁合（hé）金的（de）微觀結（jié）構使其能自行修複弱點。研（yán）究人員稱，高強度鋁合金疲（pí）勞性能差（chà）的（de）原因是（shì）存在“無沉澱區”薄弱環（huán）節。該環節中交變應力會導致材料微塑化或局（jú）部塑化（huà）。而塑化會催生疲勞裂紋，這些裂（liè）紋逐漸擴展，最終（zhōng）導致材料斷裂。研究人員（yuán）使用商用鋁合金，利用在疲勞早期循（xún）環（huán）中注入材料的機械能來修複（fù）“無（wú）沉澱區”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（mìng）提高了25倍。
（2）美印共同開發（fā）高性（xìng）能鎂（měi）合金，可替（tì）代鋼和鋁合金用作汽車、航空（kōng）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（xī）土元素的鎂合金，經過熱機械加工技（jì）術（嚴重塑性變形和老化（huà）處理），共同開（kāi）發出一種工程鎂（měi）合金。該（gāi）合金強度高（gāo）、延展性好，可在較（jiào）高的應變速率下實現超（chāo）塑性，從總體上減少製造時間、精力和成本。同時，此類合金具有較好的輕（qīng）量化特性，有助於汽（qì）車減重從而降低碳排放量。研究人員表示，作為最（zuì）輕的節能型結構材（cái）料，鎂合金具有強大的潛力（lì），可取代鋼和鋁合金，用於製造汽車和航空航天零部（bù）件。
（3）中美研究人員合作研發“超級鋼”，可用於製造輕型汽車和軍用（yòng）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（bó）克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Lab，LBNL）的研（yán）究團（tuán）隊通（tōng）過增加（jiā）材料屈服強度，突破了（le）超高強度鋼的屈服（fú）強（qiáng）度-韌性組合（hé）極（jí）限（xiàn），成功研（yán）製出具備極高的屈服強度（dù）、極佳韌性和良好延展性（xìng）的“超級鋼”。“超級鋼”比目前航空航天用的馬氏體鋼（gāng）效能更高，而成本卻隻有其1/5。此外（wài），研究人員還在“超級鋼（gāng）”的結構方麵取得了重大（dà）發現。“超級鋼（gāng）”通過一種新型“高強度誘導（dǎo）多層分層”增韌機製，具備了一種（zhǒng）獨特的抗斷裂性特征，其中主斷裂表麵下形成了多（duō）個微裂紋，而微裂紋能夠有效吸（xī）收來自外部作用力的能量，使“超級鋼”的韌性高於現有鋼材。該研究成果為（wéi）實現“超（chāo）級（jí）鋼”的工業化（huà）應用奠定了基礎，未來有望應用於製造高級防彈衣、高（gāo）強橋梁纜索以及航空航天領域、建築領域的（de）高強螺栓和螺母（mǔ）。
（4）美（měi）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（chēng）正在開發一（yī）種新型形狀記憶合金（jīn）（SMA）輪胎，可滿足未來火星巡視器探（tàn）索火星表（biǎo）麵複雜地形的需求。該形狀記憶輪胎由網狀（zhuàng）織物金（jīn）屬製成，能夠（gòu）“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（huò）超（chāo）過（guò）所有牽引性能的要求，並將（jiāng）賦（fù）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（yòng）於火星車車輪上。
（5）中國研究人員研發出一種（zhǒng）前所未有（yǒu）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範圍內首次提出“輕質液態金屬”概念，並發（fā）明了一種前（qián）所（suǒ）未有的輕質量液（yè）態金屬材料（liào）。該材（cái）料可（kě）塑性強、無害（良好的生物安全性）且密度輕，在溫度調節（jiē）下能保持良好的材料（liào）一致性和導電性（xìng），並可（kě）在（zài）完全柔軟和（hé）堅硬的狀態之間（jiān）自由切換，將液態金屬的特性發揮到極致。液態金屬是金（jīn）屬材料中的新貴，有可能逐漸替代現有的材料（liào），製造出（chū）突破性（xìng）產品，將成為繼（jì）工（gōng）程塑料、輕合金之後的第三代新材料，未來可廣泛應用於消費電子產（chǎn）品、鋰電池（chí）、3D打印（yìn）、柔性（xìng）智（zhì）能機器和血管機器人等領域。
（二）無（wú）機（jī）非金屬材料
無機非金屬材料是以（yǐ）某些（xiē）元素的（de）氧化物、碳（tàn）化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物，以及矽酸鹽、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矽氣凝膠、水泥（ní）、玻璃和陶瓷等。無機非金屬材料是現（xiàn）代材（cái）料當中必不可少的，尤其在現代建築中具有不可忽視的地位。2020年，無機非金屬材料領域取得（dé）以（yǐ）下幾個方麵的進展。
（1）超輕、超薄、超（chāo）硬玻璃的問世促進可折疊設備的（de）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（wéi）Miraj的金剛石玻璃，能為可（kě）折疊設備製造超（chāo）輕、超（chāo）薄、超硬的屏幕（mù）。該玻璃由納米金剛石晶體材料塗（tú）裝到玻璃上製成，既可以被噴塗在塑料（聚合物）片上，也可以被噴塗在沒有經過處理（lǐ）的柔性玻璃上，且不（bú）會影響玻璃的可折疊性。此外（wài），金剛石玻璃還具有防（fáng）水疏油屬性及良好（hǎo）的散熱性（xìng），可以讓手機保持較低的溫（wēn）度，從而延長智能手機電池和組件的使用壽（shòu）命。Akhan Semiconductor公司（sī）表示，在智能折疊屏手機上使用金剛石玻璃還有很長的（de）路要走，Miraj玻（bō）璃要到下一代柔性玻（bō）璃問世（shì）之後（hòu）才會有發揮（huī）的空間。
2020年7月，日（rì）本電氣硝子株式會（huì）社（Nippon Electric Glass，NEG）成功研發出一款名為Dinorex UTGTM的（de）化學強化專用玻璃（lí）。該款玻璃厚度僅為25微米（目前全球最薄的玻璃），表麵平滑（huá）、厚（hòu）度均勻（yún），具有易（yì）彎曲的特性。Dinorex UTGTM玻（bō）璃彎曲半徑可達（dá）1.5毫米，可用於製造折疊顯示屏。長（zhǎng）期以來，在生產較薄的化學強化玻璃時，需要（yào）對原（yuán）始厚玻璃板進（jìn）行薄化處理，而Dinorex UTGTM在玻璃成（chéng）型工藝中直（zhí）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（hài）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（chū）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（fǎ）尼亞大學研究（jiū）人員開發（fā）出可在火星稀薄大氣中漂浮（fú）的輕（qīng）薄氧化鋁板。該氧（yǎng）化鋁板內部為中空結構，大量微小的縫隙孔洞分（fèn）布其中，這些孔洞能夠（gòu）防止裂紋蔓延，從而提升氧（yǎng）化（huà）鋁板強（qiáng）度。當暴露（lù）在強光（guāng）下（xià）時，氧化鋁板（bǎn）被加熱的頂部可與底（dǐ）部形成溫差，引導氣體從（cóng）通道的開孔頂部吸入並從底部排出，形成類似氣墊（diàn）的懸浮效果。每（měi）塊納米氧化鋁板（bǎn）的重量僅與一隻果蠅相當（dāng），理論上可承載10倍（bèi）於（yú）自重的有效載荷。研究（jiū）人員（yuán）正（zhèng）研究（jiū）能夠安裝（zhuāng）在飛板上的小型化學傳感器，進一步提高其載重量（liàng）。
（3）美國空軍開發出一種可用於製造高溫陶瓷部件（jiàn）的雜化納米材料
2020年8月，美國萊特·帕特森空（kōng）軍基地（Wright-Patterson Air Force Base）開發出一種用於製造陶瓷基複合材（cái）料的（de）陶瓷先驅體聚（jù）合（hé）物接枝納米顆粒（或（huò）稱毛狀納米顆粒）。該顆粒（lì）是一種混（hún）雜（zá）材料，由固體（tǐ）納米顆粒內核和（hé）圍繞在其周圍像毛發一樣的聚合物外殼組成，大小相當於一個小型病毒，可用於製備（bèi）適用於噴氣發動機和高超聲（shēng）速飛行器高溫部件的高性能陶瓷（cí）纖維和複合材料。新材料（liào）采用了一種含矽無機（jī）聚合物，分子結構類（lèi）似於矽樹脂，但卻（què）是由矽（guī）和碳原（yuán）子構成。當高（gāo）溫加熱時，這種聚合物中的矽和碳可產生化（huà）學反（fǎn）應轉變成（chéng）碳化矽陶瓷（cí）。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（tòu）才能達到所需（xū）密度，而采用這（zhè）種新型材料有望將滲透循環次數（shù）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（fā）出一種新（xīn）工藝，可以在非真空環境下生產碳化鎢（wū）、碳化硼（péng）等（děng）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（yuán）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（tài）、碳化矽和碳化硼等超硬材料。新工藝為（wéi）一（yī）種合成碳化鎢納米粉的電弧（hú）法，由於（yú）在電弧等離子體的產生中使用（yòng）了特殊形狀的石（shí）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（dì）簡化（huà）了工藝過程，並降低了能源消耗。該技術的另一個優點是可以使用磨損的鑽頭、用過的刀具零件和其他含有（yǒu）碳化鎢的廢料作（zuò）為合成原料。研究人員表示，目前在生產（chǎn）效（xiào）率和經（jīng）濟性上尚無同類（lèi）的生（shēng）產（chǎn）技術。未來，研究人員計劃進一（yī）步優化技術工藝（yì），將該（gāi）方法運用到廢物處理方麵。
（三）高分子材料
高分子材料（liào）是由相對分子質量較高的化合物構成的材料，包括（kuò）橡膠、塑料、纖維、塗料、膠黏劑（jì）和高分子基（jī）複合材料。高（gāo）分子材料因（yīn）質量輕、強度高、耐溫和耐腐（fǔ）蝕等優異的性能，廣泛（fàn）應用於（yú）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麵的進展.
（1）美國陸軍開發出先進的雙（shuāng）聚合物3D打印材料
2020年（nián）2月，美國陸軍研究實驗室研究人（rén）員采用無模熱拉（lā）拔工藝研（yán）製出一種（zhǒng）由丙烯（xī）腈-丁二烯-苯乙（yǐ）烯（xī）與聚（jù）碳酸酯兩種不同的聚合物組成的雙（shuāng）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（yòng）於（yú）戰場使用的（de）堅固零部件，以便於士兵快速利用耐用的3D打印（yìn）零部件替換損壞的塑料零部件。此外，因材料和工藝問題，當（dāng）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（shēng）過度變形等問題。但（dàn）是，雙聚合物長（zhǎng）絲因（yīn）含有兩種不同（tóng）熔融溫度的聚合物，被用於（yú）打印出固體（tǐ）零部件後（hòu）可放入烤箱烘烤以提升零部件的強度。
（2）德國研發（fā）出一種仿生纖維（wéi）黏合材料，在（zài）保持黏合性的同（tóng）時具有超疏液（yè）性
2020年（nián）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（zhǒng）彈（dàn）性（xìng）纖維（wéi）膠黏劑。該膠黏劑結合了蘑菇狀纖維的強黏附性和纖（xiān）維尖端雙凹（āo）角幾何形狀的疏（shū）水性（xìng），不僅對低表麵張力液體表現出超（chāo）強的疏液性，同時又保持了（le）超強的黏合性能。研究（jiū）人員表示，強疏液性使該纖維膠黏劑能夠有（yǒu）效地黏附到水、油或其他液體（tǐ）表（biǎo）麵而不會損失黏合力，如攀爬機（jī）器人或可使（shǐ）用這種黏合材料來攀爬濕玻璃（lí）板（bǎn）。此外，該彈性纖維膠（jiāo）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（yòng），大大擴展了實際應（yīng）用範圍。
（3）中國研製出一種新型納米纖維素仿生結構材料，綜合性能突（tū）出
2020年（nián）5月，中國（guó）科學技術大學研究人員成功研製出一類天然納米纖（xiān）維素仿生結構材料，解決了傳統結構材料難以兼（jiān）具高強度（dù）與高韌性的（de）問題。該材料具有輕質高強韌的優異性能，性能超越航空（kōng）鋁合金和鋼（gāng），且密度（dù）僅為鋼的1/6、鋁合金的（de）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（hé）納米三維網絡（luò）結（jié）構設計。纖維素納米纖維內（nèi）部（bù）高度（dù）結晶可以提供極高的強度，纖維（wéi）之間通（tōng）過大量氫鍵等可（kě）逆相互作用網絡（luò）進行結合，在外力（lì）作用（yòng）下這種高密度的可逆（nì）相（xiàng）互作用網絡可以迅速解離和重（chóng）構，吸收（shōu）大量能量，使材料在具有高強度的（de）同時實現高韌性。此外，該材料還具有高尺寸穩定性、抗熱震、抗衝擊及高損傷容限等多種優異性能，在輕量（liàng）化抗衝擊防護及緩衝材料、空間材（cái）料、精密儀器結構件等領域具有廣闊的應（yīng）用前景。
（4）以色列（liè）開發出柔性高分子材料，有望用於製造（zào）機器人、假肢（zhī）及可穿戴設備
2020年6月，以色列理（lǐ）工（gōng）學院研究人員開（kāi）發出一種柔性高分子材料。該材（cái）料在遭受刮擦、割傷或扭傷時能夠“自愈”，將其（qí）與傳感器相結合，有望獲得具有柔性和自我修複能力的電子（zǐ）皮（pí）膚，未來可用於製造機器人、假肢和可（kě）穿戴設備。在（zài）該（gāi）項研究中，研（yán）究人員首先研發出柔性高（gāo）分子材料和彈性體，該彈性體被拉（lā）伸至原長度的11倍也（yě）不會斷裂。隨後研究人員利用彈性體開發電子皮膚，並將（jiāng）選擇性感應、防水、自我監控和自我修複等（děng）多種功（gōng）能融入電（diàn）子皮膚中。利用電子皮膚組成的傳感係統能夠監控環境變量，如（rú）壓力、溫度和酸度。同時，該係統（tǒng）還包含能監視係（xì）統電子部（bù）件損（sǔn）壞的類神經元組件，以及讓受損部位（wèi）加速自我修複過程的其他組件。
（5）韓（hán）國科學技術研究院開發出高透高導塑料新材料（liào）
2020年6月（yuè），韓國科學技（jì）術研究院成功研製出適用於透明電極的高導電、高透明性高（gāo）分子塑料（liào）新材料。當（dāng）前，透明電極中的導電高分子材料存在厚度增加不透明（míng）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（jié）構的“自由基高分子”材料，由（yóu）此製成的導（dǎo）電高分子膜厚度（dù）在1微米時透明度達96%，相比傳統的10%透（tòu）明度提（tí）升了近10倍。“自由基高分子”材料（liào）有望應用於未來新一（yī）代儲能材料（liào）、透明顯示材料、柔性（xìng）電池和生物電化學等領域。
（6）日本三菱化學研發（fā）出可在海水中降（jiàng）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（shuǐ）中（zhōng）降解的塑料袋。新塑料袋是根據（jù）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製（zhì）成，僅（jǐn）需1年左右（yòu）的時間即可被海（hǎi）水（shuǐ）完全分解，而（ér）普通塑料袋的自然分解（jiě）通常需20～1000年不等。三菱化學希望通過推廣使用（yòng）這種塑料袋來幫助解（jiě）決海（hǎi）洋（yáng）塑料垃圾問題。但是，由（yóu）於製（zhì）造技術尚未普及，該種塑料袋的價格是（shì）普通塑料袋的6倍以上（shàng）。
（四）複合材料
複合（hé）材料是指由（yóu）兩種或兩種（zhǒng）以上（shàng）不同物質以不同方式組合而成的材料，具有（yǒu）重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良和耐（nài）化學腐蝕等優點，已逐步取代木材及（jí）金（jīn）屬合金，廣泛應用於航空航天、汽車、電子電氣及建築等領域。隨著全球低碳經濟、綠色經濟的發（fā）展，複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，複合材料領域取得以下幾個方（fāng）麵的進展。
（1）瑞典皇（huáng）家理工學院開發出“變形”碳纖維複合材料
2020年（nián）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（wéi）和一塊固體電解質（zhì）薄片組成的碳纖維複合材料。當接入低壓直流電時（shí），鋰離子會從碳纖維的一（yī）層遷移到另一層（通過電解液），從而使碳纖維（wéi）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（liú）被移除後，材料仍然保（bǎo）持這種形狀。但是，如果隨（suí）後接入（rù）反向電流，鋰離子就會向相反的方向遷移，且不同的（de）電壓將（jiāng）決（jué）定複合（hé）材料是恢複到中性的平麵形狀，還是向另一側彎曲（qǔ）。該複合材料質量雖輕，但硬度高於鋁，進一步開發後或可應用於製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（dà）效率的風力渦輪機葉片。
（2）中美研發出高（gāo）阻尼、高吸能與（yǔ）形狀記憶兼得的鎂基仿生複合材料
2020年5月（yuè），中國科學院金屬研究所與（yǔ）美國（guó）加州大學伯克利分校、中（zhōng）國工（gōng）程物理研究院展（zhǎn）開合（hé）作（zuò），借鑒天然生物材（cái）料三維互（hù）穿（chuān）微觀結構的原理，將鎂（měi）熔融浸滲（shèn）至增材製造（zào）的（de）鎳鈦合金骨架，構築成輕質、高強度、高阻尼、高吸能鎂-鎳鈦仿生複合材料。微觀三（sān）維互穿仿生結構不僅實現了鎳鈦增強相與鎂基（jī）體在性能優勢上的互補與（yǔ）結合，而且賦予材料形狀記憶與自修複功能。新型仿生複合材料突破了（le）強度和阻尼性能之間的（de）相互製（zhì）約關（guān）係，實現了鎂（měi）合金的強度、阻尼和能量吸收效率等多種性能的良好結合，綜合性能優於目前已（yǐ）知的工程材料，有（yǒu）望成為精密儀器、航空航天等領域的（de）新型阻尼減震材（cái）料。
（3）荷蘭開發可用於航空航天結構件損傷檢測的3D打印複合材料
2020年5月，荷蘭Brightlands材料中心開始研發具有自感知功能的3D打印複合材料，以用於監控航空航天、建築和（hé）醫療（liáo）保健等（děng）領域的（de）關鍵結構狀態。該材料是一種碳纖維增（zēng）強的聚合物基複合材料（liào），可根據（jù）連續纖維電阻感應變化，提供自（zì）感應功能。目前該材料（liào）還在研發過程中，研究人（rén）員（yuán）將首先驗證其在飛機和建築領域提供結構（gòu）健康監測（SHM）的可行（háng）性。同時，研究人（rén）員還在將連續碳纖維的自感知能力與增材製造技術（shù）相結合，擬使SHM應用更具成本效益，從而（ér）能夠（gòu）更（gèng）廣泛地擴（kuò）展到新應用中。
（4）美（měi）國北卡羅來納州（zhōu）立大學研發出具有優異輻射屏蔽性能的複（fù）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（yóu）嵌入三氧化二鉍顆粒的高分子化合物組成（chéng）的複合材料具（jù）有巨大的潛力（lì），可以替代傳統的輻射屏蔽材料（liào），應用於太空（kōng）探索、醫學成像和放射治療等領（lǐng）域。鉛（qiān）等（děng）傳統的輻射屏蔽材料通常價（jià）格昂貴、重量大且對人（rén）體健（jiàn）康和環（huán）境（jìng）有害。在該項研究中，研究人員使用紫外線固（gù）化方法而（ér）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%。隨後，研究人員對樣品進行了測試，結果表明該化合物（wù）重（chóng）量輕、強（qiáng）度（dù）高，能（néng）有效屏蔽諸如伽馬射線等電離輻射（shè），並且可以快速生產。
（5）瑞士研發出新型磁致感應形狀記憶複（fù）合材料
2020年8月，瑞（ruì）士保羅謝（xiè）爾研究所（Paul Scherrer Institute，PSI）和蘇黎世聯邦理工學院（Eidgenössische Technische Hochschule Zürich，ETHZ）合作研發出一種由磁流（liú）變液和聚（jù）二（èr）甲基矽氧烷（PDMS）組成的新型複合材料，該材料可（kě）以在磁場下表現出形狀記憶（yì）特性。研究人員利（lì）用水滴、甘（gān）油和羰基鐵顆粒組（zǔ）成磁流變液，以不同的（de）體積分（fèn）數（10%和40%）分（fèn）散在PDMS中製成軟磁性形狀記憶複合材料（liào）。實驗結果（guǒ）表明，添（tiān）加體積分數為40%的磁流變液使PDMS的（de）儲能模量提高（gāo）近30倍，無須加（jiā）熱即可（kě）實現快速可逆（nì）的形（xíng）狀記憶。該磁性形（xíng）狀記憶複合材料在生物醫學、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（lǐng）域進行血栓微創手（shǒu）術時可改變導管的硬（yìng）度，減輕副作用；在（zài）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遊車上；在電（diàn）子設備領域可用於製造柔性電源、數據電纜或（huò）可穿（chuān）戴設備。
三、先進功能材料（liào）
功能材料是指通過光、電、磁（cí）、熱（rè）、化學和生化等作用後具有特定功能的（de）材料。進入21世（shì）紀以來，功能材料成為新材（cái）料（liào）領域研究的重點（diǎn），是國民經濟、社會發展（zhǎn）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（néng）環保（bǎo）材料等先進（jìn）功能材料（liào）發展迅猛，前沿、顛覆性（xìng）技術不斷湧現，給全球可持續發展、產業升級與變革等帶（dài）來了深刻影響。
（一（yī））先進信（xìn）息材料
先進信息材料（liào）是為實現信息探測、傳輸、存儲（chǔ）、顯示和處理等功能使用的材料，是人類社會步入信（xìn）息時代的物（wù）質基礎，也（yě）是科技創新和國際競爭最（zuì）為激烈的技術（shù）領域。近年來，隨著人工智能、量子信息（xī）和大數據等（děng）技術的發展，新（xīn）型信息器件不斷湧現，信息材料正加速向多功能化、薄膜（mó）化、高性能和低功耗方向發（fā）展。2020年，先進信息材料領域取得以下幾個方麵的進展。
（1）美國北卡羅來納州立大學研製出超（chāo）薄可（kě）拉伸（shēn）電子材料，具有氣體滲透性
2020年5月，美國北（běi）卡羅來納州立大學研（yán）製出一種超薄、可拉伸、可透氣的（de）電子材料。研究人員使用了（le）一（yī）種稱為呼吸圖法的技術來製造具有均勻孔分布的可拉伸聚合物薄膜，通過將薄（báo）膜浸入含有銀納米線的溶液中進行塗層，然後對材料進行熱壓，將納米（mǐ）線（xiàn）封住。由於銀納米線正好（hǎo）嵌入到聚（jù）合物表麵正下方，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麵表現出良好的組合特性（xìng）。研究團隊（duì）創建的第一個原（yuán）型是可安裝在皮膚上用作電生理傳感器的幹電極。
（2）韓國開（kāi）發出新型導電黏（nián）合劑，可將（jiāng）集成電路密度提高逾（yú）20倍
2020年5月（yuè），韓國成均館大（dà）學（Sungkyunkwan University，SKKU）和三星電（diàn）子合作開發出（chū）一（yī）種導電黏合劑，可以將集成電路密度提高20倍（bèi）以上。該黏合劑由納米金屬顆粒（lì）製成，用於（yú）在電路板上（shàng）集成微型的電子設備。通過這（zhè）項（xiàng）研究，研究人員已成（chéng）功將（jiāng）數千（qiān）個比頭發還細的30微米×60微米微型LED組裝在低溫低壓（yā）的柔性板（bǎn）上。此（cǐ）外，該項技術（shù）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（gāi）導電黏合劑能夠應用（yòng）於可彎（wān）曲和展（zhǎn）開的柔性基板上，這意味著其將為（wéi）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（péng）
2020年7月（yuè），韓國三星電子宣布，三星高級技（jì）術學院（Samsung AdvancedInstitute of Technology，SAIT）與蔚山國家科學技（jì）術學院（UlsanNational Institute of Science and Technology，UNIST）、劍橋大學兩家高校合作，成功製備出一（yī）種3納米厚的無定型氮化硼（péng）薄膜（a-BN）。該薄（báo）膜在100千赫茲和1兆赫茲的工作頻率（lǜ）下分（fèn）別展示了1.78和1.16的超（chāo）低介電性質，極度接近於空氣的介電值1，並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（péng）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（xiǎo）巧、更緊湊的電子解決方案，推動器件進一步（bù）小（xiǎo）型化發展。
（4）俄羅（luó）斯（sī）南烏拉爾（ěr）州立大學研發出環保且（qiě）可應用於多種傳感器的材料
2020年7月，俄羅（luó）斯南（nán）烏拉爾州立大學（South Ural State University）的研究人員合成了（le）適（shì）用於製造（zào）壓力、溫度、電場和磁場傳感器的陶瓷材料。當前，許多（duō）用於製造傳感器的現代材（cái）料都含有鉛，其廣泛使用會造成環境汙染並對（duì）人體健康產（chǎn）生負麵（miàn）影響，無法大規模生產。而（ér）南烏拉爾州立大（dà）學研究人員通過研究基於鉍鐵氧體的陶（táo）瓷材料的相變結構，發現該種（zhǒng）材料對外部因素（溫度、電勢、磁場、壓力）高度敏感，不僅可以被用於製造傳感（gǎn）器，而且該材料屬於多（duō）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（xiàng）。
（5）日（rì）本東京大學開發出一種磁性材料，可（kě）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（jiū）人員開發出一（yī）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（tí）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，隨後數（shù）據（jù）就被鎖定在磁帶存儲器中。此外，ε氧化鐵材料的魯棒性（xìng）意味（wèi）著數據存儲時間將比其他介質更（gèng）長，並且可以在低功耗（hào）下運行，未來有望應用（yòng）於需要進行長期存儲的應用中。研究人員希望能在未來5～10年內開發出基於新磁性材（cái）料的磁帶（dài）存儲器，其數據容量可達當前容量的10倍（bèi）。
（6）麻省（shěng）理工學院研究（jiū）表明“金屬化”金剛石可（kě）製備新型量子探測器和傳感器
2020年10月，美國麻省理工學院（yuàn）和（hé）新加坡南洋理工大學（NanyangTechnological University，NTU）利用量子力學和機械變形（xíng）的計算機模擬發現（xiàn），使金剛石納米針變形，會使其導電性從絕（jué）緣體變為半導體，再變為高導電性（xìng）金屬。電子在材料中移動的難易程度是以材料的帶（dài）隙來衡量的，帶隙越大，電子越（yuè）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（shì），當對（duì）金剛（gāng）石（shí）納（nà）米針施加外力時，可（kě）以使（shǐ）其產生應變（biàn）。施加的外力越大，應變越大，帶隙就越窄，從而使金（jīn）剛石轉化成優良的導電體。研究人員稱，“金屬化”後的金剛石可以製造新型量子（zǐ）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（fā）展，具有能（néng）量存儲和能量轉換功能的材料（liào），主要包括燃料電池材料、鋰離子（zǐ）電池（chí）材料、太陽能電池（chí）材料（liào）、相變儲能材料、金屬氫化物鎳（niè）電池材料和半導體照明（míng）發光材料等。近年來，隨著氣候（hòu）變化、能源危機等（děng）全球性問（wèn）題（tí）進一步凸顯，新能源材料成為世界各國重點關注的（de）技術領域之一，政策扶持與資金支持不斷加碼。2020年，新（xīn）能源（yuán）材料領域（yù）取得（dé）以下（xià）進（jìn）展。
（1）澳大利亞昆士蘭大（dà）學在量（liàng）子點太陽能電池效率方麵取得重大突（tū）破
2020年2月，澳大利亞（yà）昆士蘭大學研究人員開（kāi）發（fā）出能量轉換效（xiào）率高達（dá）16.6%的新型量子點（diǎn）太陽能電池，比此前（qián）世界紀錄高出近25%。該電池（chí）采用了銫和甲酰胺鉛三碘鈣鈦礦體係，並用油酸配體輔助陽離子交換策略，提供了穩定的基於鈣鈦（tài）礦（kuàng）的（de）光伏（fú）和光電子學的（de）途徑。研究團隊通過控製量子點上的表麵功能化學物質（zhì），開發出一種新的表麵（miàn）工程方法，不（bú）僅可以穩定量子點（diǎn），還可以保持電子通過的路徑（jìng）平滑，使量子點將太陽能轉換為電能的效率大大提高（gāo）。此外，由於這些量子（zǐ）點具有柔韌性，並且能夠以較低成本（běn）大規模打印，因此可將其用作透明皮膚，為汽車、飛機（jī）、房屋（wū）和可穿戴設備提（tí）供（gòng）動力。
（2）美國西北（běi）太平洋國家實驗室設計出（chū）一種新型（xíng）納米結構，可（kě）用於製造高（gāo）性能鋰離子電（diàn）池陽極
2020年4月，美國能（néng）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（xíng）納米結構，能夠賦予矽非凡的強度（dù），使其有望成為鋰離子電池（chí）的陽極材料（liào）。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（jí）待升級，而矽被認為是一種很好的升（shēng）級（jí）版材料。但矽在遇到鋰時（shí）會大幅膨脹（zhàng），可能會導致鋰電池（chí）陽極破裂粉化。為解決這一難題，研究人員將細小的矽顆粒聚（jù）集到直徑約8微米的微球中，形成一種相當於紅細胞大小（xiǎo）的分層多孔矽結構。這種結構就（jiù）像海綿一（yī）樣，內部有（yǒu）空間吸收膨脹壓力。研究表（biǎo）明，這種分層多孔結構具有出色的電化學（xué）性能（néng）、機械強度（dù）和結構完整性，可用於製造高性能（néng）鋰（lǐ）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（jī）分子複（fù）合薄膜，可（kě）用於開發高（gāo）效發光二極管
2020年4月，瑞典林雪平大（dà）學（Linköping University，LiU）與中國、英國（guó）和捷克（kè）組成的國際團隊合作研製出一種（zhǒng）效率高（gāo）、穩定性強的鈣鈦礦發光二極（jí）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（shǐ）其具有卓越的光學及電子特性，並且製造起來難度小、成本低。然而，當前大多數鈣鈦礦LED並（bìng）不是特別穩定，無法投入實際應用。此次研究團隊采用鉛、碘和有機物質甲脒製備了新型鈣鈦礦材（cái）料，並將鈣鈦礦材料嵌（qiàn）入到有機分子基體中，最終形成一種複合薄膜。其中，末端有兩（liǎng）個（gè）氨（ān）基的有機分子有助於穩定鈣鈦礦的（de）結構，鉛和碘有助於提升鈣（gài）鈦礦的發光性能。測試結果表明，新型鈣鈦礦LED的（de）效率為17.3%，服役壽命超過（guò）100小時。
（4）美國愛達荷國家（jiā）實驗室研發出（chū）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（yī）款可用作電（diàn）化學電池的新型氧（yǎng）電極材料。該材（cái）料是一種鈣鈦礦化合物，此前氧電極隻傳導電子和氧離子，而新（xīn）型鈣鈦礦能夠（gòu）進行“三重傳導”，即可傳（chuán）導電子、氧離子和質子。在實際應用中（zhōng），能夠進行“三（sān）重傳導”的電極會更（gèng）快、更高效地發生反應，因而（ér）可以在保持良好性（xìng）能的同（tóng）時，降低操作（zuò）溫度。研究（jiū）人員表示，使用該材料的電池能夠高效地將（jiāng）多（duō）餘的電力和（hé）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，用於電網供電。未來，研究人員希望（wàng）繼（jì）續將創新材料與前沿製造工藝相（xiàng）結合，繼續改進該款電化學電池，以使其可以應用（yòng）於工業化生產。
（5）英國研（yán）發（fā）石墨烯基催化劑，可製成使用壽命更長的氫（qīng）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（dūn）大學學院（University College London）的研究團隊通過一鍋合（hé）成法，生（shēng）產出包裹著鉑納米顆粒的高質量石墨烯，並將其（qí）用於研發氫燃料電池催化劑。氫燃料電池（chí）在催化劑（jì）作用下使氫和氧結合，將化學能轉化為（wéi）電能，是一種高效且環保的能源。在氫燃料電池中（zhōng），鉑是使用最廣泛的催化劑，但成本高昂，這也（yě）是阻止（zhǐ）氫燃料電池實現商業化的一大難題（tí）。為解決該問題，商（shāng）用催化劑通常（cháng）是在較便宜的碳載體上裹上微小的鉑納（nà）米顆粒，不過此種材料耐（nài）用性很差，大大縮（suō）短了當前燃料電池的使用（yòng）壽命（mìng）。研究表明，石墨（mò）烯具有耐腐蝕性、表麵（miàn）積大且導電性高等（děng）優點，可能是氫燃料電池催化劑的理想支撐材料（liào）。與現（xiàn）有的催化劑相比（bǐ），石墨烯基催化劑更耐用且性能相當，可用於大規模生產，有望在（zài）能源領域得到廣泛應用。
（6）美國用回收塑料製備儲能納米材料（liào），可用於製（zhì）備電動汽車超級電容器
2020年9月（yuè），美國加州大學河濱分校研發了一種方（fāng）法，以（yǐ）回收蘇打水瓶等塑料，並將此類塑料製備成可以用來存儲能源（yuán）的（de）納米材料。研究人員首先將塑料瓶的碎片（piàn）溶解（jiě）在溶劑中，然後采用靜電紡絲工藝，用聚合物製出微小的纖維，並在熔爐中（zhōng）將塑料絲碳化。在與黏結劑（jì）和導電劑混合後，該材料被幹燥，並被組裝成硬（yìng）幣電池芯類型的雙層超（chāo）級電容（róng）器。當在（zài）超級（jí）電容器中測試該材料時，該材（cái）料（liào）包（bāo）含了由分散離子電荷（hé）和電子（zǐ）電荷（hé）形成的雙層（céng）電容器，以及（jí）當離子被電化學反應吸收（shōu）到材料表麵時產生的氧化還原反應偽電容的特性。雖然此電容（róng）器存儲的能量不如鋰離子電池多，但充電速度要快得多，可以讓很多基於塑料廢料（liào）製成的電池應用到更多領域。
（7）英國發現（xiàn）可將太陽能存儲數月乃至（zhì）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（yuè）乃至數（shù）年的特殊（shū）材料——金屬（shǔ）有機框架（Metal-Organic Framework，MOF）材料。MOF材料是多孔的，因此可與其他（tā）小分子形成複合材料。MOF材料通過添加吸收光（guāng）的化合物（wù）偶氮苯分子，最（zuì）終形成的複合材料（liào）能在室溫下將吸收的紫外線能量儲存（cún）至（zhì）少（shǎo）4個月，然後再釋放出來。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（chēng），該材料仍需要做一些改（gǎi）進才能實現商業化，未來有望用於為汽車風窗玻璃除冰或為家庭和（hé）辦公室提供額（é）外的熱量（liàng）。
（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（qián）全球最高轉換效（xiào）率的鈣鈦礦—矽疊層太陽能（néng）電池，轉換效率高達29.15%。此外，該電（diàn）池即使在沒有封裝的情況（kuàng）下也能提供300小時的穩定（dìng）電量。在該項（xiàng）研究中，研究人員為鈣鈦礦—矽疊層電池開發了一種特殊（shū）的電（diàn）極接觸（chù）層，用於光學耦合頂部和底部電池，同時還改進了界（jiè）麵層。在鈣（gài）鈦礦—矽疊層電池中，矽將大（dà）部分太陽光的紅外/近紅外轉化為電能，而（ér）鈣鈦礦化合（hé）物則主（zhǔ）要利用光譜的可（kě）見光部分。因此，由矽和鈣鈦礦製（zhì）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（zài）1平（píng）方厘米的樣品中測試成功。研究人員希望（wàng）未來將其擴大到更貼（tiē）合實際應用的尺寸。
（三）生物（wù）醫用材料
生物醫用材料是指以醫療為目的，用於診斷、治療、修複、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（shēng）物技術的蓬勃發展和重大突破，生（shēng）物醫用材料已（yǐ）成為各國研（yán）究和開發的熱（rè）點。2020年，生物醫用材料（liào）領域（yù）取（qǔ）得以（yǐ）下幾個方麵的進（jìn）展。
（1）瑞典隆德大學開發出一（yī）種可治愈傷（shāng）口的非抗生素（sù）凝膠
2020年1月，瑞典隆德（dé）大學（Lund University）研究人員開發（fā）出一種用於愈合傷口的（de）凝膠。該凝膠不僅可以（yǐ）殺死對抗生素產生耐藥性的細菌（jun1），還可以減輕傷口內的炎症。該（gāi）凝膠（jiāo）含有一（yī）種名為TCP-25的肽，可通過（guò）殺死傷口部位（wèi）的有害細菌來幫助（zhù）預防感染。在對大鼠和豬進行的實驗室測（cè）試中發（fā）現，該凝膠可（kě）在（zài）使用後24小時內減少傷口發炎，並在隨（suí）後3～4天內顯著減（jiǎn）少細菌數量。隆德大學正在（zài）與瑞典生物醫學初創公司in2cure AB進行合作，使該（gāi）技術商業化，並希望（wàng）該技術能很快應用於燒傷患者（zhě）的臨床試驗中。下一步，研（yán）究人員計劃開發用於治療（liáo）眼部感染和其他內部器官感染的新型肽基藥物。
（2）中國（guó）天津大學開發出可追蹤癌細胞（bāo）位置的（de）新型水凝膠材料
2020年2月，天津大學研究人員（yuán）成功（gōng）研發出新型長餘輝水凝膠。該水凝膠（jiāo）由腫瘤（liú）特異靶向性的“長餘輝納米探針”和（hé）“海藻酸鈉（nà）水（shuǐ）凝（níng）膠（jiāo）”構成，通過表麵修（xiū）飾腫瘤特異性配體，能夠靶向識別、持續標（biāo）記不（bú）同腫瘤細胞，其進入（rù）活體（tǐ）後，能夠在（zài）腫瘤細胞上（shàng）長時間標記並發出近紅外光，使腫瘤細胞的轉（zhuǎn）移活動形成一幅發光（guāng）的“實時位置軌跡圖”。試驗結果顯示（shì），新（xīn）型水凝膠有很高的靈（líng）敏度且生物相容性好，無毒無副作用，不影響腫（zhǒng）瘤的（de）轉移和侵襲。研究人員表示，該水（shuǐ）凝膠（jiāo）可以針對各種類型的癌細胞進行定製化設計，從（cóng）而為各種腫瘤轉移研究提供通用檢測平台，在癌症治療（liáo）領域具有（yǒu）廣闊前景。
（3）瑞典查爾默斯理工大學開發出無毒柔性材料，可用於藥物精準（zhǔn）治療
2020年3月，瑞典查爾（ěr）默斯理（lǐ）工（gōng）大學（Chalmers Tekniska Högskola，CTH）研究人員開發出一種柔軟、呈橡膠（jiāo）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（sān）維網絡結構，其成分類似於有機玻璃（lí），但柔韌性、彈性（xìng）要優於有機玻璃。研究人員表示，未來可以（yǐ）將一（yī）塊載有藥物的材料植（zhí）入體內，以精確地將藥物輸送到需要（yào）的地方，從而最大限度地減少了口服同（tóng）一藥物所帶來的副（fù）作用。此外（wài），該材料還可用於替換體（tǐ）內軟骨或其他軟組織，但這可能需要提前3D打（dǎ）印（yìn）替換（huàn）零（líng）件，然後通過傳統手術方式將其植入。
（4）美國哈佛（fó）大學醫學院製備出一種可以直接打印成具有多（duō）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（bào）道了一種（zhǒng）基於（yú）甲基丙烯酰化明膠的（de）生物墨水的製備（bèi）方法，實（shí）現了（le）具有納米孔—微孔—大孔多級孔的細胞負載水凝（níng）膠結構的（de）3D生物打印，並且證明這種（zhǒng）多孔級水凝膠在微創組織再生和細胞治療方（fāng）麵的應用前景。多孔水凝膠由於內部存在著大量孔結構，可（kě）在注射前後具有形狀記憶功能，利用該功能（néng）可以將（jiāng）其直（zhí）接注射到組（zǔ）織缺損空間（jiān）內並與周圍的宿主組織結合，實現組織再（zài）生修複。同時，該方法避免了侵入性外科手術，能極大地減輕（qīng）患（huàn）者的痛苦，有（yǒu）望在組（zǔ）織工程、再生醫學（xué）和個性化治療方（fāng）麵得到應用。
（5）俄羅斯合成一種新材料，可有效止血還（hái）具明顯的抗菌活性
2020年9月，俄羅斯門捷列夫化工大學（xué）（Mendeleev University ofChemical Technology of Russia，MUCTR）研究人員用殼聚（jù）糖、藻酸鹽兩種（zhǒng）生物聚合物和銀納米顆粒合成一種新材（cái）料，形如一塊5厘米厚的多孔海綿，可（kě）用於（yú）開放性傷口（kǒu）快速（sù）止血，同時防止感染。當前，市麵上的各種止血（xuè）材料大部分隻注重快速止血，不適合更長期的治療。而此次研發的新材料中，殼（ké）聚（jù）糖與藻酸鹽結合形成（chéng）的凝膠，在浸入（rù）溶液時可以（yǐ）保持穩定。同時，殼聚糖具有抗菌作用，可促使血（xuè）液成分結合，使傷口愈合，而銀納米顆（kē）粒可增強凝膠的抗菌作用。
（6）德國開發出（chū）將藥物和銀結合起來的植入物（wù）塗層（céng），可防止術後感染（rǎn）
2020年11月，德（dé）國弗勞恩霍夫製（zhì）造技術（shù）和先進（jìn）材（cái）料研究所（FraunhoferInstitute For Manufacturing Technology And Advanced Material）與柏林大學醫學院（Universität zu Berlin）合作開發出將藥物和銀結合起來的植入物（wù）塗（tú）層（céng）。研究人（rén）員（yuán）利用激光對浸過抗生素溶液的鈦合金髖關節表麵進行（háng）結構化處理，使金屬（shǔ）表麵充滿含有抗生素溶液的微孔，然後再使用物（wù）理氣相沉積（jī）技術在金屬上塗一層具有抗菌性的銀。植入髖關（guān）節（jiē）後，抗生素能從微孔中（zhōng）流入周圍組織，有助於防止術後立即出現任何感染，而銀會在幾周內釋放殺菌（jun1）離子，為愈合階段提供防感染保護。此外，植入物髖關（guān）節表麵的微（wēi）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（shàng）是指（zhǐ）應用（yòng）於節能環（huán）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麵的進展（zhǎn）。
（1）日本神戶（hù）大學研發出一種能夠有效分離油和水、可重複使用的薄膜
2020年（nián）1月（yuè），日本（běn）神戶大學（Kobe University）薄膜技術研究中心在多孔聚酮（Porous polyketone，PK）薄膜上塗覆（fù）10納米厚的二氧化矽塗層，成功開發出能夠有效分離油（yóu）和水且（qiě）能夠重複使用的薄膜。其中，PK薄膜具有大（dà）孔徑和高孔隙率，水滲透性良好；矽化過程（在PK纖維（wéi）上添加二氧化矽）提供了堅（jiān）固的拒油塗層，可（kě）保護表（biǎo）麵（miàn）改性膜免受汙染，從而實現可重複使用。該薄膜的另（lìng）一個優點是不需（xū）要很大的壓力即可（kě）實（shí）現高透水性（xìng），即使用低至10厘（lí）米（約（yuē）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（shuǐ），也可有效地從各種不同的油性乳（rǔ）液中分離出水。
（2）美國萊（lái）斯大學研發出可將塑（sù）料等垃圾變成石墨烯的新技術
2020年（nián）2月，美國（guó）萊斯（sī）大學研發出一種（zhǒng）新工藝（yì），可將廢棄食品、塑料廢料、石油焦、煤、木（mù）屑和生物炭等（děng）垃圾快速轉化成有價值的石（shí）墨烯薄片。新工藝名為（wéi）“閃蒸石墨烯”技術，可在10毫秒內將碳（tàn）源加熱至3000開爾文（2727攝氏度（dù））以製得（dé）石墨烯薄片，其成本低於其他的石墨烯生產方法。這類石墨烯的（de）潛在（zài）應用包括將其混（hún）入用作黏結混凝土（tǔ）的水泥（ní）中，可（kě）將混凝土對環境的影響降低（dī）1/3。研究人員表示，新技術可將固體碳基物質（zhì）和橡膠等塑料廢料轉化為石墨烯，有助於解決食物浪費（fèi）、白色汙染等（děng）全球問題。
（3）新加坡國（guó）立大學（xué）研發出新工藝（yì）將廢舊輪胎橡膠轉換為多用途氣凝膠
2020年3月，新加坡國（guó）立大學研究人員開發出一種將舊輪胎橡膠（jiāo）轉換為高價值氣凝膠的方法。研究團隊首先將廢（fèi）棄的汽車輪胎切成（chéng）細橡膠纖（xiān）維，然後將纖維浸入由水和少量“生態（tài）友好型”溶（róng）劑組成（chéng）的溶液中，使纖維彼此交聯。機（jī）械（xiè）攪拌20分鍾後，該混合物（wù）形（xíng）成液體凝（níng）膠，交聯纖維均勻懸浮其中。最後將該凝膠倒入模具，並在零下50攝氏度下冷凍幹燥12個（gè）小時後，得到固體橡膠氣凝膠。該氣凝膠具有隔（gé）熱、隔聲和（hé）吸收性強等優點，製造過程簡單、經濟高效且環保（bǎo），生產一塊麵積為1平方米且厚度為1厘米的橡（xiàng）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（jun1）生產礦物（wù）質和聚合物，打（dǎ）造環保的建築材料
2020年3月，美國科羅拉多大學（xué）博爾德分校（University of ColoradoBoulder）利（lì）用細菌來生產礦物質和聚合物，以打（dǎ）造環（huán）保的（de）建築材料。研究團（tuán）隊對大腸杆菌進行編程，成功生產出不同尺寸、形狀和剛度的石灰岩顆粒（lì），以及用於製造聚苯乙烯泡（pào）沫的苯乙烯單體。石灰岩（yán）顆粒與聚苯乙烯複合後，可用於開發環保、低碳的生物建築材料。研究（jiū）人（rén）員表示，基於合成（chéng）生物學和基因編輯等技術，細菌還可用於生產自愈材料、環（huán）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（xué）利用特殊材料快速將海水轉化成飲用水（shuǐ）
2020年（nián）8月，澳大利亞莫（mò）納（nà）什大學（Monash University）開發出一種新（xīn）型海水淡化技術（shù）。研究團隊將聚螺吡喃丙烯酸酯加入一種金屬有（yǒu）機框架材料的孔隙中（zhōng），獲得一種名為PSP-MIL-53的材料。據介紹，該材料可以（yǐ）在30分鍾內將海水等鹹水中（zhōng）的鹽分（fèn）及有害顆粒吸附出來（lái），並（bìng）使（shǐ）水質達到世界衛生組織規定的飲用（yòng）水安全標（biāo）準。隨後，隻要經過陽光照射，材料就會（huì）很快釋（shì）放出吸附的鹽分等（děng）顆（kē）粒，從而實現重複使用。據實驗（yàn）數據表明，每千克特殊材料（liào）可以過濾（lǜ）139.5升的飲（yǐn）用水，並且（qiě）使用特殊材料所耗（hào）費的成本遠低於現在的海水淡化技術。新型技術利用陽（yáng）光實現可持續的鹹水（shuǐ）淡化，為發展（zhǎn）低耗能、具有可持（chí）續性的海（hǎi）水淡化技術開（kāi）辟出（chū）一條全新的道路（lù）。
（6）國（guó）際（jì）研究團隊研發出可反複利用、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（xué）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（jī）烯烴羧酸中製備橋聯雙環硫內酯單體，製備出一種新型（xíng）塑料PBTL。該塑料可以很容易地分解並（bìng）重新組合成高質量的（de）產品，並且這個過程可以無限重複。研究人員首先用催化劑在100攝氏（shì）度下進行整體解聚來測試塑料，測（cè）試（shì）結果表明PBTL已被分解成原來的單體。隨後，在（zài）室溫下分解PBTL樣品（pǐn）（使（shǐ）用催化劑），再次檢（jiǎn）測到樣品已經分（fèn）解成原來的單體。最（zuì）後，利用以上製得的單體（tǐ）仍可以再製造出PBTL。一係列性能測試表明，PBTL具有（yǒu）優異的強度、韌性和穩定性，可用於製造塑料包（bāo）裝、運動器材、汽車零部件、建築材料和其（qí）他產品。
四、前沿新材料
前沿新材料（liào）是具有戰略性、前瞻性和顛覆性（xìng）的新材料，是未來產業發展的製高點（diǎn），具有重要的引領作用和重大的應用前（qián）景（jǐng）。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（cái）料發展迅猛，前沿、顛覆性技術不斷湧現，支撐著一大批高新技術產（chǎn）業（yè）的發展。
（一）二維材料
二維（wéi）材料是厚（hòu）度為幾納米或更小的由單層原子組成的結（jié）晶材料，具有特殊的電學、熱學、光學和力（lì）學等性能，在高端電子（zǐ）和光電子器件、能源轉化與存儲及（jí）複合材料等領域有著廣闊的應用（yòng）前景。2020年，二維材料領域取得（dé）以下幾個方麵的進展。
（1）芬蘭阿爾（ěr）托大學（xué）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）基於外延生長（zhǎng）法和水助劑轉（zhuǎn）移法，開發出一（yī）種可將大尺（chǐ）寸二維（wéi）材料層（céng）進行扭曲的新方法。近年來（lái），單層原子組成的（de）二維材料憑借著獨特（tè）的電、光和（hé）機械（xiè）特性，被廣泛應用於激光、光電、傳感器（qì）和醫療等領域。研究人員發現將二維材料放在（zài）另（lìng）一材料上並稍做旋轉時，扭曲會從根本上改變雙層材料的性能（néng），如（rú）高溫超導性、非線性光學及超潤滑（huá）性，這促使（shǐ）了扭曲（qǔ）與電子學的結（jié）合。芬蘭阿爾托大學以二硫化鉬材料（liào）為主要研究對象，不僅可以精確控製單原子層（céng）之間的扭曲角，還可將扭曲（qǔ）層的（de）尺寸（cùn）由以前的（de）微米級擴展至厘米級（jí），實現了大尺寸二維材料扭曲。未來（lái），研究人員計劃將該扭曲方法應用（yòng）於其（qí）他二維分層材料上。
（2）瑞士洛桑聯邦理工學院設計（jì）出（chū）一種基（jī）於（yú）二（èr）維半（bàn）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並（bìng）論（lùn）證了一種基於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（yán）究（jiū）人員利用二硒化鎢和二硒化錫（xī）柵極結的（de）能帶對準機製，開發（fā）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於“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（zǐ）模擬測（cè）試驗證了二維隧穿晶體管（guǎn）的性能，其比類似的（de）二維半導體材料製成的晶體管性能更高，且電源電壓非（fēi）常低。二維隧穿晶（jīng）體（tǐ）管可用於構建類似於大腦神經元的節能電子係統，未來有望在（zài）可穿戴設備和人（rén）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（jīn）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（kè）利分校和得克薩（sà）斯農（nóng）工大學（Texas A&M University，TAMU）的研究人員利用層狀二碲化鎢製成了二維金屬芯片（piàn），其厚度僅為三個原（yuán）子。研究人員對二碲化鎢薄層結構施加微小電流，使其奇（qí）數（shù）層相對於偶數（shù）層（céng）發生穩定且快速的偏移，並利用奇偶層的排列來存儲（chǔ）二進製數據。數據寫入後，再通過一種稱為貝利曲率的量子特性，在不幹擾排列的情（qíng）況下（xià）讀取數據。與現有的基於矽的數（shù）據存（cún）儲係統相比，新芯片可以將更多的數據填充到極小的物理空（kōng）間中，非常節能。此外，二碲化鎢薄層結構奇偶（ǒu）層偏移速度很快，可以使數據寫（xiě）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，並繼續研究下一步改進（jìn）方法，如尋找除二（èr）碲化（huà）鎢之外的其（qí）他（tā）二維材料（liào）。
（4）中國製備出一種不存在已知母體材料（liào）的全新（xīn）二維層狀材料
2020年8月，沈陽（yáng）材料科學國家研究中心先進炭（tàn）材料研究部（bù）在化學氣（qì）相沉積（jī）法生長非層狀二維氮（dàn）化鉬的過程中，引入矽元素鈍化其表麵懸鍵，製備出一（yī）種不存在已知母體材料（liào）的全新二維（wéi）範德華層（céng）狀材料MoSi2N4，並（bìng）獲得（dé）了（le）厘米級單（dān）層薄膜。研（yán）究發現，單層MoSi2N4具有半導體性質（zhì）和優於二（èr）硫（liú）化鉬（mù）的理論載流子遷（qiān）移率，表現出優於二硫化鉬等單（dān）層半導體材料的力學強度和穩定（dìng）性。此外，研究人員（yuán）通過理論計（jì）算預測出了（le）十幾種與單層MoSi2N4具有相同結構的二維層狀材（cái）料，包含不同帶隙的半導體（tǐ）、金屬和（hé）磁性（xìng）半金屬等。探索不存在已知三（sān）維（wéi）母體材料的新型二維層（céng）狀（zhuàng）材料，可極大拓展二維材（cái）料的物性和應用，具有重要的科學意義和實用價值。
（5）美（měi）國德雷克塞爾大學開發出一種可阻擋電磁波和其他（tā）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（chū）一種稱為MXene的（de）塗層和相關新型織物。MXene塗層是（shì）一種二維材料，具有導電性，已被證明在阻擋電磁波和有（yǒu）害輻（fú）射（shè）方（fāng）麵非常有（yǒu）效。此外，MXene可以穩定地（dì）製成（chéng）噴霧塗層、墨水或油漆，使其可以應用（yòng）於紡織品中。研究表明，如果將普通的棉布或麻布浸塗在MXene溶液中，可以阻擋電磁幹擾，效果（guǒ）大於（yú）99.9%。而使用這種工藝塗覆的織物在正常條件（jiàn）下存放兩年後（hòu），其屏蔽效率隻（zhī）損失了大約10%。
（二）智能材（cái）料
智能材料是指具有感知環境刺激能力，可以（yǐ）進行分析、處理、判斷，並采取（qǔ）一定的措施進行適度響應的智能（néng）特征的材料，是繼天然材料、合成高分子（zǐ）材料、人工設計材（cái）料之後的第四代材料。自20世（shì）紀90年代起，智能材料迅速發展（zhǎn）起來，成為一種全新的材料分支學科，並朝著更加高性能化、多功能化、複合化、精細化和智能化方向發展。2020年（nián），智能材料領（lǐng）域取得（dé）以（yǐ）下（xià）幾個方麵的進展。
（1）美國加州大學聖迭戈分校研（yán）發出全新熱偽（wěi）裝材料，可自行適應環境溫度
2020年3月，美國加州（zhōu）大學聖迭戈分校（University of California，SanDiego）研究人員（yuán）開發出一種可適應環境溫度的新型熱偽裝（zhuāng）材料。該材料為一種柔性材料，由蠟（là）狀相變物質及熱電合金組成，由集成（chéng）電池供電，並由佩戴者通過無線電路板控製（zhì）。施加電流時，材料能夠在（zài）不到（dào）一分鍾的時（shí）間內在10攝氏度到38攝氏度範圍內改變溫度（dù）。當環境溫度高於30攝氏度時，材料會（huì）通過相（xiàng）變吸收熱量；當（dāng）環境溫度低於30攝氏度時，材料會固化並（bìng）起到隔熱作用。該材料已被合並到迷彩服的臂章中。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（zì）愈合材料”，可在嚴寒、深海和強酸堿等極（jí）限條（tiáo）件下快速自愈合
2020年（nián）6月，中國天（tiān）津大學成功研（yán）發出“全天候（hòu）自愈合材料”，該材料能在嚴寒、深海和強酸堿等極（jí）限條件下快速自愈合，有望成為機器人、深海探測器和極（jí）端條件下各類高科技設備的（de）“超級電子（zǐ）皮膚”。研究人（rén）員充分利用了不同動態鍵的（de）相互協同作用，使材料在不借助任何外界（jiè）能源的條件下，同時實現高彈性、高拉伸（shēn）性和快速修（xiū）複損傷的功能。實驗結果顯示，新型自愈合材料在室溫下可實現10分（fèn）鍾內快速愈合，愈合後可承受超過自身重量500倍（bèi）的重物，並在零下40攝氏度（dù）的低溫、過冷高濃（nóng）度（dù）鹽水下甚至在強酸強堿性環境中（zhōng）都表現（xiàn）出了高效的（de）自愈合性能。下一步，研究人員計劃將材料（liào）應用於電子皮膚傳感器，從（cóng）而使極限環境下的機器人能夠（gòu）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（pí）膚”。
（3）日本東（dōng）京大學開發出可自我修複的新複合材料
2020年6月，日本東京大學（xué）與美國卡（kǎ）耐基梅（méi）隆（lóng）大學研究人（rén）員聯合開發出具有自我修複能力的新複合材料“MWCNTs-PBS”。該（gāi）材料由聚（jù）矽氧烷（PBS）和多層碳納米管（MWCNTs）複合而成，具有機械和電氣自愈性。研（yán）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（hé）驅動能力的接口設備。自修複材料的應用範圍極為廣泛，包括（kuò）軍用裝備、電子產品、汽車、飛機和建築材料等領（lǐng）域，其中在智能（néng）手機和平板電腦屏幕上的應（yīng）用最受關注，此次研究人員使自修複材料向實用化方向又（yòu）邁進了一步。
（4）英國劍橋大學研發出由納米顆粒製成的光熱驅動變（biàn）色皮膚
2020年（nián）6月，英國劍（jiàn）橋大學研發出一種人造變色皮膚（fū），在光照或加熱時會變色。該皮膚變色機理源於（yú）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（jī）丙烯酰胺）（pNIPAM）外殼中，製成Au@pNIPAM芯—殼結構納（nà）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，最後將水滴轉移至油中以防蒸發。當（dāng）光照或加熱至32攝（shè）氏度以上時，納米（mǐ）顆粒（lì）會聚集在油水界麵處，並沉積到水滴底部，材料呈深藍色；當溫度降低（dī）後，納米顆粒通過布朗運動重新分散，材料呈紅色（sè）。用這種機理可研製光隱身皮膚、光/熱敏感變色材料等，甚至（zhì）通過激光照射構建可編程控製（zhì）顏色的材料。
（5）美、德研究人員（yuán）研發聚合物材（cái）料，可使軟機器（qì）人實現自我修複
2020年7月，美國賓夕法尼亞州立大學和德國馬克斯（sī）·普朗克研究（jiū）所研究人員受烏賊圓（yuán）環齒啟發，聯合開發出一（yī）種能夠實現自我修複的聚合物材料。研究人（rén）員通過研究烏賊（zéi）圓齒軟硬混合蛋白質（zhì）的序列，在細菌生物反應器中創造（zào）出具有重複氨基酸序（xù）列的聚（jù）合物材料，其能夠在（zài）水和熱量的作（zuò）用下快速實現自我愈合，且愈合時間小於同類型材料。該材料可完全生物降解，將有利於構建堅固且可自我修複的軟機器人和執（zhí）行器，幫助其延長使用壽命。
（6）美（měi）國開發出可回收、可自愈的聚合物3D打（dǎ）印材料
2020年8月，美（měi）國得克薩斯農工大學和美國陸軍（jun1）研究實驗室聯（lián）合開發出一種（zhǒng）可回收、自愈合的聚合物3D打印材料。研究（jiū）人員利用低聚物（wù）線性預聚物和交（jiāo）聯劑二苯甲烷雙馬來酰亞胺的混合物製成新型樹脂材（cái）料，通過增加該材料（liào）內部交聯分子的數量，可以控製該材料的強度水平，使其能夠像橡膠般柔軟或具備塑料般的強度。該聚合物材（cái）料暴露在高溫下時（shí），化學鏈接會脫離或重連，因此可經過簡單加熱來實現修複。該材料能夠在幾秒鍾內自愈，並且可以進行3D打印，在假肢、柔性機器人及航空航天部件製造領域具有應用潛（qián）力。
（7）美國（guó）研製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）研究人員研製出（chū）一種仿（fǎng）生材料，其本身可以作為一（yī）種軟體機器人，不僅能夠在液態環境中行動自如地完（wán）成拾取和運輸物體等任務，而且前進速度（dù）達到了每秒一步，甚至與人類步伐速度相當。該仿（fǎng）生材料（liào）軟體機器人大小隻有幾厘米長，形狀（zhuàng）像帶（dài）有四條腿的章魚，內嵌的鎳製骨架使其能夠響應外部磁場，由於沒有任何複雜的硬件或是液壓、電力組件，因此可以不受體積限製在水下或（huò）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（yào）物、海洋環境清（qīng）理或變革性醫療的“智能”微觀（guān）係統中具（jù）有應用前景。
超材料是21世紀以（yǐ）來出現的一類人工複合（hé）材料，具備天（tiān）然材料所不具備的特殊物理性（xìng）質。作為（wéi）最熱門的新興技術（shù）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（de）重大變革。2020年，超材料領域（yù）取得（dé）以下（xià）幾個方麵的進展。
（三）超（chāo）材（cái）料（liào）
超材料是（shì）21世紀以來（lái）出現的一類人工複合材料，具（jù）備（bèi）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（gōng）業、新能源（yuán）及微細加工的重大變革。2020年（nián），超材（cái）料領（lǐng）域（yù）取得以下幾個方麵的進展。
（1）美國南加州（zhōu）大學開（kāi）發出新型智能聲（shēng）學超材料，可控製聲波（bō）的傳播方式
2020年3月，美國南加州大學（xué）研究人員受鯊（shā）魚皮膚啟發（fā），研發出可（kě）控製聲波傳播方式的新型智能聲（shēng）學超（chāo）材料。傳統聲（shēng）學超材（cái）料通常由金屬或塑料製成，聲學特性單一，難以對不同聲波信號進行處理（lǐ）。此（cǐ）次（cì）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（tiě）納米顆粒製備出智能（néng）聲學超材料，利用（yòng）了橡膠易於（yú）彎曲和拉伸、鐵納米顆粒可響應磁場變化的特性。該聲學超材料構成的柱狀陣列通過分（fèn）開或靠（kào）近即可實現聲波的傳播（bō）或阻斷，目前（qián）尚處於實驗室測試階段，未來研究人員還將對其進行水下測試。
（2）英國和土耳其合（hé）作設計（jì）出模塊化超（chāo）材（cái）料（liào），可用於數據加密和可逆解（jiě）密
2020年7月，土耳其畢爾肯大學（İhsan Doğramacı-Bilkent University）與英（yīng）國曼徹斯特大（dà）學（University of Manchester）合作設計出一種模塊化超材料，可用於數據加（jiā）密和可（kě）逆（nì）解（jiě）密。該材料由兩部分組成，頂部是透明的彈性襯底，其上塗覆（fù）約10納米厚的金屬層；底部是120納米厚（hòu）的銀膜，其上塗覆介電層，以反射大部分入射光。當頂部和底部（bù）放在一起時，頂部的金屬層與（yǔ）底部的銀膜形成（chéng）光學（xué）腔，腔的顏色等性質由介電層厚度決（jué）定。此時，在介電層上製作的圖案即可由不同顏色顯示。除去頂部（bù）後，圖案就會（huì）消失，從而（ér）實現一（yī）次加密多次重複解密。該項研究為光學加密（mì）提供了（le）一（yī）種更實用的途徑，可用於秘密信息傳遞（dì）...
今年四甲鎮工業經濟實現穩健開局，1至3月，四（sì）甲鎮工業經濟實現應稅銷售11.45億元，入庫稅金5099萬元，增幅均位（wèi）列海門區中心鎮第一。
“是金屬新材料產業拉（lā）動（dòng）了全（quán）鎮工業經濟穩增（zēng）長。”四甲鎮黨（dǎng）委書記黃紅傑說。四甲鎮是海門區（qū）確立的金屬新材料產業鏈上的主體鎮，黨委政府按照（zhào）區委、區政府的決策部署（shǔ），緊（jǐn）扣金屬新材料（liào）主導產業，實（shí）施精準招商，加快項目建設，培育龍頭企業，將四甲鎮打造成產業特色最明顯（xiǎn）、產業門類最齊全的金屬新材料研發生產基地，爭取用（yòng）3至5年（nián）的（de）時間，全鎮金屬新材料產業年應稅銷售突破50億元。
構建梯次發展格局
南通（tōng）愛爾思輕（qīng）合金精密成型有（yǒu）限公司繼獲得2021年度工業金（jīn）牌企業之後，今年穩健開局，1至3月，愛爾思（sī）實現應稅（shuì）銷售6848萬（wàn）元（yuán），同比增幅19.8%，入庫稅金747萬元。
南通愛爾（ěr）思輕合金精密成型（xíng）有（yǒu）限公司是一（yī）家專門從事高壓、超高壓電氣裝備用（yòng）鋁合金鑄件的生產企業，是國家高新（xīn）技術企業，為輕合（hé）金（jīn）精密成型國家工程研究中心的（de）產業化基地。該公司成立20多年來，始終專注鋁合金鑄件的研發與（yǔ）生產，充分發揮省（shěng）級工程（chéng）技術中心的優勢，不斷技（jì）術創（chuàng）新、工藝創新，研發生產的產品與國際先進產品媲美，為國內外著名高壓電氣（qì）裝備製造商的優質供應商，產品遠（yuǎn）銷美國、德國、瑞士、意大利、日本、加拿（ná）大等10多個國家，同時也（yě）為國內西電、思源等20多家企業供貨。該公（gōng）司還成功研製部分醫療產品並已（yǐ）批量（liàng）生產。目前，該公司已經成為四（sì）甲鎮金（jīn）屬新材（cái）料產業的支撐（chēng）企（qǐ）業。
金屬新材（cái）料產業是四甲鎮工業領域的（de）特色產業，也是支撐型產業。經過多年發展積（jī）累，四甲鎮金屬新材料門（mén）類繁（fán）多，包括鋁合金製品、鎂合金製品、特種鋼絲、特種不鏽（xiù）鋼製品（pǐn）、特種銅材製品等，擁有12家規上企業。四甲（jiǎ）鎮的3家區（qū）百強企業均集聚在（zài）金屬新材料（liào）領域，目（mù）前，年應稅銷售約10億元，占四甲（jiǎ）鎮規上工業總（zǒng）量的三分之一。
“加快構建金屬新材料企業梯次發展（zhǎn）格局，是我們培大扶優金屬新材料企業的關鍵。”黃紅傑說，目（mù）前，四甲鎮金屬（shǔ）新材（cái）料企業體（tǐ）量不大（dà），支撐作用還（hái）不明（míng）顯（xiǎn）。“十四（sì）五”期間，四甲鎮將重點實施內培外引，重點培育新江科技、南通愛爾思、滬海有色鑄造、金輪特種（zhǒng）鋼絲、中興精密、中興創元等企業，引導這（zhè）些企業不斷加（jiā）大技改投入、科（kē）技創（chuàng）新、經營（yíng）模式（shì）創新力度，全力提升發展能級，做（zuò）大做強、做精做（zuò）優，力爭形（xíng）成以10億元級企業為（wéi）龍頭、5億元級企業為支撐、億元級企業為（wéi）基礎的梯次發展新格（gé）局（jú）。江蘇中興精（jīng）密機械有限公司今年將投入900萬元進行技改，擴大半導體材料生產規（guī）模。1至3月，該公司應稅銷售、入庫稅金分別為7406萬元、651萬元，同比增幅分別為32.2%、48.1%。今（jīn）年，四甲鎮在金屬新材料行業將新增3家規上工業企業，全年力爭實現應稅銷售突破15億元。
堅持產（chǎn）業鏈招商
今年，海門區有5個產業項目列入省級（jí）重大項目（mù），其中一（yī）個就落地在四甲鎮，為海門中（zhōng）國航天裝（zhuāng）備新型鈦合金材料項目。這是上海航天精密機械研究所在（zài）四甲鎮投資的第二個輕合金材料重特大項目。
四甲鎮是上海航天精密機械研究（jiū）所打造的輕（qīng）合金材（cái）料產業基地，鎂合金材料項（xiàng）目是基（jī）地的（de）第（dì）一（yī）個重大項目，於去年（nián）5月份（fèn）成立了（le）新江科技（江蘇）有限公司，9月份（fèn）全麵投產。上海航天精密機械研究所隸屬中航科技集團，擁有60多年輕合金研製的曆（lì）程積澱，具備鎂、鋁、鈦等輕合金結構（gòu）件“材料（liào）研發—鑄造成（chéng）形—精密數控加工（gōng）—無損檢（jiǎn）測—表麵防護—服役可靠性評價”全鏈路核心技術和研發能力（lì），可提（tí）供輕合金（jīn）結構件全流程研（yán）製的整體解決方案。在特大（dà）型鎂合金鑄件鑄造（zào）、超細長變壁厚鋁合金鑄件鑄造、大（dà）型複雜薄壁艙體反重力鑄造和新型高強耐（nài）熱稀土鎂合金材料鑄造（zào）等方麵均處於國內領先水平，先後獲得國際鑄造博覽會“鑄造材料金鼎獎”、“優（yōu）質鑄（zhù）件金獎特別獎”、國防（fáng）科技進步一等獎、省部級科技（jì）成果二等（děng）獎等榮譽。
輕合金材料是四甲鎮（zhèn）金（jīn）屬新材（cái）料中的重點。在（zài）鎂合金材料項目實施中，區鎮兩級全力服（fú）務，確保了該項目快速竣工投產，去年實現應稅銷售5000萬（wàn）元，今年有（yǒu）望突破2億（yì）元。上海航天精密機（jī）械研究所又將鈦（tài）合金項目布點在四甲鎮的產業基地。據介紹，鈦合金項目主要建設鈦合金精密成型自動（dòng）化生產線、鈦合金結構（gòu）件精密加工自動化生產線、先進複合材料自動集成生產線（xiàn）和高性能（néng）防熱隔熱材料製備生產（chǎn）線等，目前正在做開工前的籌備工作。
“圍繞產業（yè）鏈（liàn）招商，使我們招商引資重心（xīn）更聚（jù）焦。”四甲鎮黨委副書記、鎮長（zhǎng）王（wáng）洪新說。今年以來，四甲（jiǎ）鎮以招商引資突破年（nián）為（wéi）抓手，以航（háng）天新材料產業園和高端智能裝備產業為載體，依托中航（háng）科技集團第八（bā）研究（jiū）所、上海（hǎi）航天精密機械研究所等（děng），以上海（hǎi）和蘇南為（wéi）重點（diǎn），加大金屬新材料項目招（zhāo）引力（lì）度。到目前為止（zhǐ），四甲鎮在手在談的超億元（yuán）項目12個，其中重特大項目3個。總投資2億元的鈹銅合金（jīn）電子材料研發製造項目是四甲鎮成功招引的金屬（shǔ）新材料產業項（xiàng）目，該（gāi）項目技術（shù）含量（liàng）高，曾獲得上（shàng）海市科（kē）技進步一等獎。目前（qián），項目已經注冊成立訊連科技公司。
全（quán）力打造營商環境
最近，四甲鎮出台“聚力領航（háng）工程”實（shí）施（shī）方案，創（chuàng）新工作模式，打破固有的條線分割，成立黨建領航、產（chǎn）業強盛等6個工（gōng）作專班，整合條線中堅力量，挖掘機關幹部內在潛力（lì），實（shí）現四（sì）甲鎮機關幹部（bù）服務企業、服務項目、服務群眾的能力作風大提升，助力（lì）四甲鎮營（yíng）商（shāng）環境的大提升（shēng）。
訊連科技一（yī）入駐四甲鎮，就實實在在感受到這裏的營商環境（jìng）之（zhī）好、之優。為推動該項目的快速落地，四甲鎮與投資商一（yī）起，與省有色金屬協會等機構主動（dòng）對接，為該項目定性，最終將其（qí）確定為新型電子元器件，為（wéi）該項目破解了落地瓶頸。投資商十分感動，表（biǎo）態項目的建設周期為半年，並決定在項目建成前，先在四甲（jiǎ）鎮租賃廠房生產。四甲鎮又迅（xùn）速（sù）為其（qí）落實了（le）租賃的廠房，預計訊連科技今年有（yǒu）望實現應稅銷售超億元。最近，投資商又為（wéi）四甲鎮介紹了高精度自動化設備研發製造項目（mù）和新型銅（tóng）合金製造（zào）項目。
“項目落得下、推得快，投（tóu）產後（hòu）遇到的問題能夠及時解決，是投（tóu）資商最看重的營商環境（jìng）。”黃紅傑說，四（sì）甲鎮全力當（dāng）好（hǎo）企（qǐ）業（yè）的金牌“店小二”和星（xīng）級服務員。該鎮（zhèn）專門成立了由黨政主要領導掛帥的產業強盛專班，整合經濟發展、項目建設、科技創新、統計（jì）等各條線人員，構建從項目注冊到項目投（tóu）產的全方位、全周期、全鏈（liàn）條項目保（bǎo）障“直通車”。項目落地生產後，主動聽取企業訴求，積極作為、靠前服務，幫助解決實際困（kùn）難，為企業健康（kāng）快速發展創造條件。鈦合金項目作為首季力爭開工的項目，四（sì）甲鎮（zhèn）按照區委、區政府要求，超前服務，圍繞（rào）產（chǎn）能、能耗、環評的（de）前置條件，赴省有關部門匯報，為項目（mù）順利開工（gōng）創造了條（tiáo）件。
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