縱觀曆史，人類社會生產力（lì）的提升、政治軍事的變（biàn）革，背後往往伴隨著新材料的誕生。可以說，人類文（wén）明的變革史，也是一部新（xīn）材料發現與（yǔ）利用的曆史。近幾十年來，眾多（duō）高新技術產業和（hé）新興產業的發展，都（dōu）以新材（cái）料技術的突破為前提和基礎，尤其是電（diàn）子信息材料、新能（néng）源材料、生物醫用材料（liào）等極大地改（gǎi）變了人們的生產生活方式。當前，在全球新一輪科技與產業革命的大背景（jǐng）下，世界主要（yào）國家都將發展新材料作為主要的科技政（zhèng）策（cè）之一，旨在搶占科技與（yǔ）產業發展的製高點。2020年，全球政治經濟形（xíng）勢發生了深刻複雜的變化，世界經濟重心調整、國際（jì）政治經濟格局加速變化及國際（jì）貿易摩擦持續上演，這（zhè）些給（gěi）中國新材料產業升級帶來巨大的挑戰，同時也帶來了新的機遇。在可見的未來，新材（cái）料與消費電子（zǐ）、新能源汽車、人工智（zhì）能、5G、智慧（huì）城市、智能（néng）家居及數字經濟（jì）等新興產業的發展將會高度融合，新材（cái）料創新（xīn）的步伐將（jiāng）會持續加速。
一（yī）、世界新材料技術及產業發展重要（yào）動向
近年來，綠色可持續發展、生（shēng）態環保意識的增強對新材料發展提出了（le）更高要求，新材（cái）料（liào）產業加速向高端化、綠色化及智能化方向轉（zhuǎn）型升級。2020年，在國家政策和下遊市場的雙重（chóng）推動下，中國新材料產業持續保持穩定（dìng）增長的態勢。據（jù）中商產業研究院整（zhěng）理的數據顯示，2019年，中國新材料（liào）產業總產值為4.5萬億元，初步估算（suàn）2020年（nián）全國新材料產值超6萬億元。2020年，逆全球（qiú）化的（de）陰霾依舊濃重，針對某些國家和地區（qū）的科技遏製仍在不斷上演，極大限製了這（zhè）些國（guó）家和地區的高技術發展。與此同時（shí），新冠肺炎疫情的爆發給全球高技術供應鏈帶來極大威脅。在此背景下，世界各國繼續保持（chí）對新材料研發的高（gāo）度關注，旨在以此推動電子信息（xī）、5G通信、新能源和（hé）生物醫療（liáo）等產業的發展變革。
（一）發達國家（jiā）針對新材料領域（yù）展開（kāi）新一輪布局
當前，世界主要國家普遍麵臨人口老齡化、環（huán）境資源惡化及經濟發展緩慢等（děng）諸多挑（tiāo）戰。從全球範圍來看，科技強國無一不在積極部（bù）署人工智能、先進（jìn）製造（zào）、新能源和生（shēng）物醫療等（děng）前沿技術領域，致力於通過科（kē）技發展解決人（rén）口、環境和經濟等方麵的難題。新材料作為（wéi）發展前沿技術的基礎，更受到世界各國的廣泛重視。2020年，美（měi）歐日（rì）等科技強國（guó）和地區出台的科技戰略或規劃中，都將新（xīn）材料作為（wéi）未來的優先研發事項，以支撐（chēng）新興產業發展。
（1）美（měi）國圍繞材（cái）料、化學領（lǐng）域製（zhì）定新研究計劃
2020年7月，美國國家科學（xué）基金會先後宣布向“材料研究科學與工程中心”和“化（huà）學（xué）創新中心”合計投入約2.6億美元，旨在通過與跨學（xué）科、多機構的團隊開展合作（zuò），應對（duì）相關領域的挑（tiāo）戰，推動新技術發展。其中，材料領（lǐng）域正在新建3個新的（de）研究中心，研究方向包括三大方麵：一是雜化、活性和響應材料（liào），重點是合成具有自組（zǔ）裝和其他預設（shè）計特性的納米（mǐ）材料，主（zhǔ）要方向涉及基於仿生技術和新型有機材料製造的納米機器，以及使雜化無機量子材料用於新（xīn）的光電電路或器件；二（èr）是極端環境材料，重（chóng）點是在生物環境和極端條件下研究合成材料，包括研製出能夠承受極端環境的具有（yǒu）空前物理性能的材料；三是生物合（hé）成材料，重點是將工程生物與人造聚合物結合，主要（yào）方向包括通過強大的計算機係統來理解（jiě）、預測並最終控製（zhì）材料的性質（在僅大於分子的微觀尺度層麵），以及（jí）利用革命（mìng）性（xìng）生物技術工具來構建新（xīn）的材料類別（bié），使其以有效的方式對周圍環境刺激做出（chū）反應等。
此外，在化學領域將（jiāng）向材料領域（yù）3個中心的第2階段資助6000萬美元（yuán），研究方向同樣包（bāo）括三大方麵：一是合成有機電化學，通過新的合成化學、預測理論和（hé）表麵化學，探索新型電化學反應在（zài）有機合成和材料化學中的應用；二（èr）是基因編（biān）碼材料，致力於合成受自然“工程機械”核糖體啟發的聚（jù）合（hé）物，使其既具有預（yù）設的多樣（yàng）化序列，又有特定的長（zhǎng）度；三是可（kě）持續納米技術，評估（gū）納米技術對環境和生物分子水平的影響，範圍涉及電池（chí）、電（diàn）子產品（pǐn）和靶（bǎ）向藥物等。
（2）日本、英國持續（xù）關注新材料產業發（fā）展，致力於打造科技創新優勢（shì）
2020年（nián）5月，日本經濟產業省發布《2020年日本工業技術（shù）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（yào）技（jì）術的（de）研發方向。該報（bào）告指出，一方麵，日本需要（yào）進一（yī）步提升創新水（shuǐ）平（píng），向資（zī）源（yuán）循環型經（jīng）濟過渡，解決災害、傳染病等社會問（wèn）題並增強工業競爭力；另一（yī）方麵，近年來（lái）日本（běn）技術創新狀（zhuàng）況並不理想（xiǎng），此次新冠肺炎疫情引起的危機（jī）也凸顯（xiǎn）出超智能社會（社（shè）會5.0）準備的（de）不足。為實現社會5.0，日（rì）本經濟（jì）產業省認為應將一定資源集中於（yú）作為所有領域基礎的材料技術領（lǐng）域。
2020年7月（yuè），英國商業、能源與產業戰（zhàn）略部正式啟動“可持續複合材料計劃”（Sustainable Composites），著眼於複合材（cái）料的全生命周期，確保其滿足（zú）未來飛機、汽車與（yǔ）風電渦輪機等領域的發展（zhǎn）需要（yào）。該計劃將利（lì）用英國領先的複合材料領（lǐng）域的研究成果和技術開發能力，實現複合材料回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（bàng）的市場中取得優勢。具體（tǐ）而言，該（gāi）計劃一方麵將致力於加快英國創新複合材料（liào）回收技術的（de）開發，解決當前複合材料回收再利用難題；另一方麵將利用蔬菜廢料、堅果殼和藻類等生物（wù）基材料（liào），製成新型可持續發展的複合材料。
（3）對中國的影響與啟示
新材料是社會進步、經濟發展的基礎，更（gèng）是保障國家科技安全的關鍵所在，其（qí）發展（zhǎn）水平對一個國家而言意義重大。然而，中國關鍵基礎材料（liào）受製於人的狀（zhuàng）況尚未得到徹底改善（shàn），“卡脖子”的風險依然突出。究其原因，主（zhǔ）要在於中國（guó）新材料技術領域中存在創新機製不合理、產業轉化機製不完善、工程化周期長等問題。對此，中國應積極探索新材料的產業技術創新模式（shì），借鑒其他國家和地區在新材料產業技術的創新（xīn）機製、投資結構及模式、利益分享機製等方麵的經驗，同時要充分結合國內具體現狀，加速建設具有中國特色的新材料產業（yè）技術創新範（fàn）式。
此（cǐ）外，新材料種類繁雜（zá）、涉（shè）及麵極廣且各細分新材料領域的發展階段、社會價值也各不相同，因此（cǐ）在創新模式的（de）探索上也要“因材（cái）施（shī）策”。對於鋼鐵、有色、陶瓷、化工和建材等基礎性、技術成熟度（dù）較高的材（cái）料，應充分發揮市場作用，采取產學研合作型（xíng）、企業聯盟型模式，推動建立（lì）以應用企業（yè）投入為主的研發機製，圍（wéi）繞實際需求開展創新活（huó）動；對於特種合金（jīn）、特種橡膠、碳纖維、半導體（tǐ）材料和特種玻璃等投（tóu）入較大、回報期較（jiào）長的戰略性材料，通過政府采購、軍方采購等（děng）形式，整合政（zhèng）府、軍方、科研機構和企業資（zī）源，構建高效的產用結合機製，實（shí）現研發製造與產品應用的反（fǎn）複迭（dié）代，破解（jiě）“有材不敢用”的難題；對於（yú）石墨烯、納米材料和智能材料等前沿性材料，應強化高校院所的主體作用，發揮政府的引導作用，通過搭建平台，吸引更多的社會力量參與技術創新（xīn）及產業化（huà）。
（二）美歐韓高度關注原（yuán）材（cái）料供應鏈安全問題
新材料在高技術發展中具有支撐性、引（yǐn）領性和（hé）顛覆性作用，在發展光電信息、新能（néng）源、生物醫療和節能環保等（děng）技術上具有至關重要的作（zuò）用，是高技術產業供應鏈中的關鍵一環。2019年以來（lái），逆全球化浪潮、日韓半導體貿易摩擦及新冠肺炎疫情等事件相繼爆發，給全球高技術產業供應鏈（liàn）帶來巨（jù）大壓力。在此背景下，歐、美、韓等發達經濟體日益重視上遊原材（cái）料的供（gòng）應安全問題，開始致力於將關鍵（jiàn）材料的供應分散化、本土化，以避（bì）免本國技術產業受製於人，甚至受到（dào）毀滅性打擊。
（1）美國開展關鍵材料加工技術創新研究，以降低稀土材料對外（wài）依賴
2020年4月，美國能源部宣布提供1800萬美元的基（jī）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，保障美國（guó）能源和國（guó）家安全。該研究將尋求（qiú）根本性突破方法，提高（gāo）對美國經濟運轉至關重要的稀土元素的可獲得性或減少其（qí）使用量，確保稀土元素及其有（yǒu）效替代品的（de）持續供應。該研（yán）究關注方向包括以下（xià）3點：一是開展稀土物理與化學的理論和實驗（yàn）研究，了解稀土元素及其電子結構在決定材料和分子的物（wù）理與（yǔ）化學性質中的作用，加速材料和分子設計及發現；二是通過假設驅動研究，開發新的設計（jì）和合成方法，以（yǐ）改進功（gōng）能，減少或消除稀土元素的使用；三是利用（yòng）新（xīn）的（de）分離原理與（yǔ）方法（fǎ）提高從複雜混合物（如礦石加工、礦山（shān）尾礦或再生材料（liào））中提取稀土的（de）效率。
2020年5月，美國能源部宣布向關鍵礦物與稀土研究領域增投3000萬（wàn）美元，重點資助下（xià）一代關鍵材料的提取、分離和處理技術創新，旨在促進關鍵礦（kuàng）物和稀土元素（sù）供應鏈研發，降低美國關鍵原材料供（gòng）應鏈（liàn）中斷的風險。美國能源部希望通過該投資推進（jìn）關鍵原材（cái）料（liào）供應鏈（liàn）的研究、開發和部署，以增強美國的國防工業基礎。
（2）歐盟反思關鍵原材料供應問題，對關鍵原材料短缺發出警報
2020年9月，歐盟委員會（huì）修訂了關（guān）鍵原材料清單（List of CRMs），將稀土等30種具有重大經濟和戰略價值的原材料納入清單，同時公布行動計劃，力求擴大供（gòng）應商（shāng）網絡，減少對第三國的依賴。鑒於（yú）關鍵礦產對於歐（ōu）盟製（zhì）造業的戰略（luè）重要性，歐盟於2008年就啟動了《原材料倡議》（The Raw Materials Initiative），關鍵原材料清單製定就是該（gāi）倡（chàng）議的一項重（chóng）要成果。自2011年起，歐盟每3年更新一次關鍵原材料清單。與2017年9月更新的名（míng）單（共（gòng）計27種原材料）相比，此次更新的名（míng）單移除了氦，保留了其餘26種原材料，新增了鋰、鍶、鈦、鋁土礦4種原材料。
歐盟委員會警告稱，歐盟成員國過度（dù）依賴關鍵原（yuán）材料進口，如中國承擔了歐（ōu）盟98%的稀土供應，土耳其承擔了98%的硼酸鹽供應，南非承擔了71%的鉑供應及比例更高（gāo）的鉑族金屬供應。過度依賴原材料進口有可能威脅到（dào）歐盟航空、汽車和新能源等關鍵行業，並使歐盟（méng）麵臨資源豐富國家供應鏈緊縮（suō）的威脅。此外，歐盟委員會提醒，用（yòng）於製（zhì）造電池和可（kě）再生能（néng）源設備的原材料短（duǎn）缺，有可（kě）能威脅歐盟到2050年實（shí）現“碳中和”的政治目標。
為擴大供應商（shāng）網絡，歐（ōu）盟（méng）委員會同時發布（bù）《提（tí）升關鍵原材料彈性：尋（xún）求安全可持續的供給之路》（Critical Raw Materials Resilience: Charting a Path Towards GreaterSecurity and Sustainability）報（bào）告，擬采取10項具體（tǐ）措施，包括（kuò）組建“原材（cái）料聯盟”（European Raw Materials Alliance）。該聯盟的初步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（lì），未來還將擴展到其他原材料領域。此（cǐ）外，歐盟（méng）還計劃發展國際戰略合（hé）作夥伴關係，擬於（yú）2021年與加（jiā）拿（ná）大、非洲相關（guān）國家展開合作，促進當地采礦業可持續發展並承擔社會責任，滿（mǎn）足歐盟對關鍵原材料的需求。
（3）韓國發布材料、零組件和設備2.0戰略，以削弱對（duì）日依賴
2020年7月，韓國政府發（fā）布“材料、零組件（jiàn）和設備2.0”（Materials，Parts andEquipment 2.0）戰略，大幅擴充戰略產品（pǐn）的（de）供應（yīng）鏈（liàn）管理名錄，促進“製造業回流”，意圖打造零部件產業強國和尖端（duān）產業世（shì）界（jiè）工廠。為此，韓國政府計劃（huá）在2022年前（qián）投資5萬億韓元，其中包括在2021年先對半（bàn）導體、生物和未（wèi）來汽（qì）車三大產業投入2萬億韓元。同時，韓國政（zhèng）府還將（jiāng）選拔100家（jiā）具有（yǒu）發展潛力的核心戰（zhàn）略技術龍頭企（qǐ）業進行重點扶（fú）持，確保其（qí）具有國際（jì）競爭力。此外，韓國政府還（hái）將與多家企業、研究所（suǒ）簽署技術研發、招商引資的合作協議，助力新政策落地。
2019年，韓國政府為降低對日本進口產品的依賴，在半導體、顯示器等六大領域選定100種（zhǒng）關鍵戰略產品，希望（wàng）通過進口來源多元化（huà）、提高國產化程度等方式（shì），確保其供應鏈穩定。根據“材料、零組件和設備2.0”戰略，韓（hán）國在此前基礎上，增加了與美國、歐洲、中（zhōng）國及印度等相關的戰略產品，總數增至338種，戰略產品的（de）範（fàn）疇也在此前的六大領域基礎上增（zēng）加了生物、能源（yuán）和機器人等新興產業。
（4）對中（zhōng）國的影響與啟示
新（xīn）材料幾乎是（shì）所有（yǒu）高（gāo）科技產業鏈的上（shàng）遊，新材料供應被“卡”住就相當於高科（kē）技產業（yè）從源頭上被“卡脖子”，後果不堪設想。新材料供（gòng）應問題主要包括兩個（gè）方麵：一是關鍵礦產供應安全問題（tí），如鈷礦（kuàng）、稀土礦等戰略（luè）價值高的原材料對新能源汽車、電（diàn）子（zǐ）信息等產業具有重要影響；二是高性能關鍵材料的供應安全問題，如（rú）半導體晶圓、高純（chún）靶材和碳纖維等（děng）涉及國計民生的關鍵（jiàn）材料，往往被國際（jì）上的少數科技巨頭把控。
近（jìn）年（nián）來，美國對世界多國發起（qǐ）“貿易戰”，相繼（jì）在國際組織中“退群”，並在西方大肆（sì）渲染中國威脅論。在此背景下，中國關鍵原材料安（ān）全或將受到非常（cháng）大的挑（tiāo）戰：一是（shì）中國獲取境外資源的外部風險不斷增加，存在“源頭斷供”的風險；二是美歐等國（guó）家（jiā）和地區尋求建立（lì）原（yuán）材料產業聯盟，或給中國關（guān）鍵原材料進出口（kǒu）帶來嚴峻挑戰。當前，新（xīn）一輪科技革命孕育（yù）興起，正催生全球範圍內的新（xīn）一輪產業競爭。作為新一（yī）輪（lún）科技革命的（de）動力之源，關鍵礦產資（zī）源的國際競爭將越發激烈，未來甚（shèn）至可能會重塑國（guó）家的科技競爭力。對此，中國應從國家戰略層麵高度重視（shì）關鍵礦產安（ān）全問題，推動關鍵礦產（chǎn）資（zī）源安全與管理研究，從加強礦產資源勘探、提升循環利用率、參與全球礦產資源治理等環節（jiē），切實保障中國未來（lái）關鍵礦（kuàng）產資源的安（ān）全。
（三）先進信息材料研發進展迅猛，高功（gōng）率與高效率（lǜ）成為發展重點
縱觀全球，信息產業已成（chéng）為世界科技強國最重要的支柱產業之一。近年來，人工智能、量子信息及大數據等信（xìn）息技術快速發展，不斷引領著（zhe）新（xīn）興產業的發（fā）展方向。2020年，在市場的強勁需求和科技（jì）政策的強力推動下，先（xiān）進信息材料（liào）不斷湧現，為人工智能、量子信息和大數（shù）據等產業的發展提供了物質基礎。
（1）發達國家研製出新型高功率電子器（qì）件，推（tuī）動（dòng）信息技術快速發（fā）展
2020年3月，瑞（ruì）士洛桑（sāng）聯邦理（lǐ）工學院功率（lǜ）和寬帶間（jiān）隙電（diàn）子研究實（shí）驗室（shì）研製出一種由間距20納米的雙金屬片組成的高功率（lǜ）太赫茲器（qì）件。當施加10～100伏電壓時，該器（qì）件能夠在皮秒內激發（fā）高強度（dù）“電火花”（等離子體（tǐ）），從而產生高功率、高強度（dù）的（de）太（tài）赫茲電磁波。該（gāi）技術結合了納米（mǐ）製（zhì）造（zào）技術和等（děng）離子體技術，成（chéng）功（gōng）解決了傳統器（qì）件無法（fǎ）同時兼顧高功率和納米尺寸（cùn）的問題。新型器件具有結構緊湊、成本低和易（yì）於製造（zào）等優（yōu）勢，未來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（jiū）實驗室（United States Naval ResearchLaboratory，NRL）研發出一款名為“諧振隧穿二極管”的新型氮化镓基電子（zǐ）器件。氮化镓基“諧振隧穿二（èr）極管”比傳統材料“諧振隧穿二極管”的頻率和輸出功率都高，其速率（lǜ）快慢的關鍵在於采用了氮化镓材料（liào）。新（xīn）型器件利（lì）用量子隧（suì）穿效應，使電子以（yǐ）極快的速度傳（chuán）輸。在隧穿過程中，電子會穿過物理壁壘，從而產（chǎn）生電流。此（cǐ）外，氮化镓基“諧（xié）振隧（suì）穿二極（jí）管”打破了傳統器件的電流輸出與（yǔ）開關速率紀錄，能使應用程序獲取毫米波範（fàn）圍內的電磁波及太赫茲頻率。目前，研究團隊與俄亥俄州立大（dà）學、懷特州立大學（Wright State University）聯合致力於繼續改（gǎi）進“諧振隧穿二極管”設（shè）計（jì），使其在不增加電能損耗的（de）同時繼續提（tí）升電（diàn）流傳輸速率（lǜ）。
（2）新型半導體材料及器件研發取得突破性進展
2020年5月，北京大學製備（bèi）出（chū）高（gāo）密度高純半導體陣列碳納米管（guǎn）材料，並（bìng）在此基礎上首次實現了性能超越同等（děng）柵長矽基互補金屬氧（yǎng）化（huà）物半導體（CMOS）技術的晶體管和（hé）電路，展現出碳管電子學的優勢。碳納米管集（jí）成電路批量化製備的前提是實現超（chāo）高半導體純度、順排、高密度及大（dà）麵積均（jun1）勻的碳納米管（guǎn）陣列薄膜。長期以來，材料問題的製約導致碳管晶體管和集成電路的實際性能遠低（dī）於理論（lùn）預期，甚（shèn）至落後於相同節點的矽基（jī）技術至少一個數量級，是碳管電子學領域麵臨的最大技術挑戰。該項工作突破了長期以來阻礙碳管電子學發展的瓶（píng）頸，首次在實驗上顯示出碳管器件和集成電路（lù）較傳統技術的性能優勢，為推進碳基集成電路的實用化發展奠定了基礎。
2020年6月，俄（é）羅斯聖彼得（dé）堡國立信息技術、機械學與光學研究型大學宣布開發出世界上最（zuì）緊（jǐn）湊的綠（lǜ）光半導體激光器（qì）。該半導體激光器產生的綠色相幹激光可以很容（róng）易（yì）地被追蹤到，甚至在光學顯微鏡下用（yòng）肉眼就能夠觀測到。新型半導體激光器（qì）具有納米粒子的尺寸（cùn），僅為310納米。此外，該（gāi）激光器納米粒子的新（xīn）穎（yǐng）設計還可有效囚禁（jìn）受激發射的能量，從而為產生激光提供（gòng）足（zú）夠高的電磁場放大率。該（gāi）項研究對構造光（guāng）芯片、微傳感器（qì）和（hé）其他使用光作為信息傳（chuán）輸和處理（lǐ）媒（méi）介的器（qì）件領域的發展具有積極推動（dòng）作用。
（3）對中國的（de）影響與啟示
近年來，量子材料（liào）、二維材料及（jí）半導體材料等先進信（xìn）息（xī）材料技術的突破使信（xìn）息技術發（fā）展進入了飛躍（yuè）階段。這些材料的應用將顛覆未來（lái）的信息技（jì）術和器件，如量子（zǐ）計算機、微納型芯片、超級存儲器及新型圖像傳（chuán）感器等，在新能源、信息、生物醫療、人工智能和航空航天等領域（yù）具有（yǒu）非常廣闊的應用前景。中國信息材料雖然占領了中低端領域市場，但（dàn）在高（gāo）端領域（yù）依然無法與美日等發達國家競爭。對此，中國應從三（sān）個方麵采取措施：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（chǔ）研究，開發各種顛覆性應用技術，實現產業化突破。
（四）顛覆性新材料技術不斷湧現，帶（dài）來高技術產業新變革（gé）
新材料技術的發展與基礎科學理論的突破息息（xī）相關。近年來，人工智能、機器學習及（jí）凝聚態物理等領域的發展，使得許多顛（diān）覆性新材（cái）料技術不斷湧現（xiàn），未（wèi）來有望帶來高技術（shù）產業的新變革。2020年，顛覆性新材（cái）料技術主要進展如下。
（1）機器學（xué）習（xí）技術推動新材料研發新變革（gé）
2020年3月，美國能源部勞倫斯（sī）利弗莫爾國家實驗室開發出一種預測材料性能的新方法。該方（fāng）法旨（zhǐ）在利用機器學習技（jì）術加速從新材料發現到大（dà）規模（mó）部署的過程，減少了測試和評估候選材料性能的工作量（liàng），大幅減少（shǎo）了材料部署的時間。以（yǐ）三氨基三硝基苯（TATB）為例（lì），該材料是一種鈍感（gǎn）高能炸藥，合成反應條件的微小變化就可能引起較大的性能變化。因此，測試和評估TATB材料（liào）的性能需要（yào）做大量的工作。新方法利用（yòng）計算機視覺（jiào）和機器學習技術，可對TATB原材（cái）料粉末的掃描電子顯微鏡圖像進行（háng）分析，從而（ér）避免繁多的物理測試。研究（jiū）結果表明，與專家評估（gū）和儀（yí）器分析等常規方法相比（bǐ），新方法可以減少約24%的預測誤差。
2020年9月，日本國立材（cái）料科學研究所（National Institute for MaterialsScience，NIMS）研發了一（yī）種機器學習工藝，可（kě）以製備具有（yǒu）特定（dìng）及（jí）所需機械性能的鋁合金（jīn）。鋁合金是（shì）一種輕質節能材料，主要由鋁製成，同時也含（hán）有鎂、錳（měng）、矽、鋅和（hé）銅等其他元素。各種元素和製造（zào）工藝的組合意味著鋁合金麵對各種應力時的（de）彈性不同。然（rán）而，在生產鋁合金（jīn）時需要驗證各種元素與製造工（gōng）藝的組合，這一過程非常（cháng）耗時（shí）且成本昂（áng）貴。為解決該問題，研究人員將已知的鋁（lǚ）合金數據庫數據輸入到機器學（xué）習模（mó）型中，從而訓練模型（xíng）理解合金不同機（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類型（xíng）之間的關係。一旦具有足夠的數據，該模型就（jiù）可以預測生產具有特定機械（xiè）性能的新合（hé）金需要何種元素和生（shēng）產工藝，而且所有上述工作都無須人工監督。新工（gōng）藝有助於加快鋁合金等新材料（liào）的研發速（sù）率。
（2）前（qián）沿新材料技術不（bú）斷取得突破（pò）
超材料方麵，2020年11月，中國香港城市大學研究人員采用真空（kōng）液體填充（chōng）技術在聚合物薄殼中注入液態金屬镓（Ga），首次製備了液態金屬（shǔ）聚合物核殼結構的微點陣力學超材料。目前的金屬微點陣力學超材料具有超輕、高比強度等特性（xìng），在無人機機翼、小微型電（diàn）子器械等領域具有很好的應用前景（jǐng）。但是，這類（lèi）超材（cái）料的韌性較差，在（zài）服役過（guò）程中容易脆（cuì）斷失效。中國香港城市大學研發的新型超材料不僅具有良好的韌性（xìng），而且充（chōng）分利用低（dī）溫度範圍下液態金屬的特性，實（shí）現了類似科幻電（diàn）影中複雜形態液態金屬的自（zì）我修複功能，在生物（wù）醫（yī）療器械、微電子器（qì）件及微型機（jī）器人（rén）等領（lǐng）域有巨大應用潛力。
二維材料方麵，2020年9月，受美國DARPA和美國空軍研究實驗室（shì）（Air ForceResearch Laboratory，AFRL）等資助，斯坦福大學研究人員利用二維材料製（zhì）備出超薄異（yì）質結構，並表現出優（yōu）異（yì）的隔熱性能。研究人員以二氧化矽/矽為襯底，先（xiān）後（hòu）沉積原子層厚（hòu）度的單層二硒化鎢（wū）、二硫化鉬、二硒化鉬和石墨烯，形成多層超薄異質結構，通過向石（shí）墨烯層施加電壓，加熱異質（zhì）結構，並用拉曼光譜測量每（měi）層材（cái）料的溫（wēn）度。測試結果顯（xiǎn）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（èr）維材料（liào）在熱電器件領域的應用。該異質結構（gòu）也有望用（yòng）作電子器件的超輕隔熱（rè）罩。
（3）對中國的影響與啟示
近年來，全球前沿新材料研（yán）究熱度持續上升，新材（cái）料開始（shǐ）實現從基礎支撐到前沿顛覆的跨越（yuè）。一些對未來具有顛覆意義的前沿新材料，如石墨烯、量子點、超材料、仿生智能材（cái）料、超導材料、柔性材料及光催化材料等不斷得到開發和應用，產業化（huà）進程也在加速。美、日、韓等科技強國為（wéi）搶占新一輪工業革命製高點，紛紛製訂了相應的發展（zhǎn）計劃和預期目標，並實施（shī）相應策略，推進前沿新材料跨越式（shì）發展。中國前沿新材（cái）料的發展基本與世界同步，特別是近年來中（zhōng）國在引領支持、研發投（tóu）入、人力（lì）資源配（pèi）置及創（chuàng）新體製改（gǎi）革等方麵不斷加大力度，前沿新材料發（fā）展非（fēi）常迅猛，某些領域已躋（jī）身全球強國之列。
但同先進國家相比（bǐ），中國前沿新材料在（zài）自主創新、新產品開發應用、研究範式變（biàn）革和高端產業化等方麵還有一定差距。對此，中（zhōng）國應對全球前沿材料發展（zhǎn）態勢有更充分的認（rèn）識和把握（wò），並重點在以下四個方麵實現標誌（zhì）性（xìng）突破：一是加強材料科技前沿性基礎研究，國家在前沿（yán）基礎（chǔ）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，推進跨（kuà）部門跨領域全麵合作（zuò），保證（zhèng）研究（jiū）規範有序及高效地運作，取得（dé）高質量、高水平、強（qiáng）時效性的研究成果；二是（shì）加強創新體係建設（shè），強化戰略部署和戰略管理，充分做好新材（cái）料研發的頂層（céng）設計，培養和打造（zào）一批具有（yǒu）國際先進水平的研究機構或（huò）高新企（qǐ）業（yè），組合人才、資源和研發基礎等優勢，努（nǔ）力實現（xiàn）一批前沿性新興技術的（de）突破；三（sān）是完善產學研機製，采（cǎi）取（qǔ）政策導向和財經支持，加速新材料研究成果轉化和產業（yè）化；四是提高自（zì）主創新能力，推進（jìn）研究（jiū）範式變革。
二（èr）、高性（xìng）能結構材料
高性能結構（gòu）材料（liào）是指（zhǐ）具有高強度、高韌性、耐高溫、耐磨損及抗腐蝕等特殊性能的材料，是支撐航空航天（tiān）、交通運輸、能源動力（lì）及國家重大基礎工程建設等領域的重要（yào）物質基礎。近年來，高性能結構材料的發展趨勢主要有三點：一是輕量化（huà），這與（yǔ）全球低碳、可持續發展思潮同步；二是結構功能一體化，如具備（bèi）一定的抗氧化、抗腐（fǔ）蝕和抗輻照等性能（néng）；三（sān）是高性能化，如具備（bèi）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溫性、抗腐蝕性和高延展性等特性的新型材料，主要包括鈦、鎂、鋯及其合金，鉭铌，硬質材料等，以及高端特殊鋼、新型鋁材等。2020年，高性能（néng）金屬結構材料領域取得以下幾個方麵的進展。
（1）鋁合金研究取得多項突破（pò）
2020年2月，美國電動車製（zhì）造商（shāng）特斯拉（Tesla）研發出一（yī）種新型鋁合金，解決了傳（chuán）統鋁合金強度與導電性不能兼備的難題。商（shāng）用鑄造鋁合金可分為兩類，一類具有（yǒu）高強度，另一類具有高（gāo）導電（diàn）性。對於某些應用場景，如電動汽車內部的部（bù）件，要求同時具有高強度（dù）和高導電性。此外，由於需要通過鑄造工藝製備這些電動汽車部件，因此不能使用鍛造合金。此次特斯拉借鑒火箭用材的靈感，研發出的壓鑄電動汽車（chē）零部件新型鋁合金，屈（qū）服強度可達90～150兆帕，導（dǎo）電性可以達到40% IACS（國際退火銅標準）至60% IACS，兼具高強度（dù）和高導電性。從Model S和Model X車身上采用的大量（liàng）鋁材可以看出，新鋁合金材料未來或可應用到特斯（sī）拉旗（qí）下產品（pǐn）中。
2020年10月，澳大利亞莫納什（shí）大學（Monash University）提出一種改進鋁合金疲勞強度的（de）組織設計新概（gài）念（niàn）——“疲（pí）勞失效”法，即（jí）通過修改鋁合金的微觀結（jié）構（gòu）使其能自行修複弱點。研究人員稱，高強度鋁合金（jīn）疲勞性能差的原因是存在“無沉澱區”薄弱環節。該環節（jiē）中交變應力會導致材料微塑（sù）化或局部塑化（huà）。而塑化會催生（shēng）疲勞裂（liè）紋（wén），這（zhè）些裂紋（wén）逐漸擴展，最（zuì）終導致材料斷裂。研（yán）究人員使用（yòng）商用鋁合金，利用在疲勞早期循環中注（zhù）入材料的機械能（néng）來修複“無沉澱區”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（pí）勞壽命提高了25倍。
（2）美印共同開發高性能（néng）鎂合金，可替代鋼和鋁合金用作汽車、航空（kōng）零部件
2020年（nián）6月（yuè），印度理工學院馬德拉斯（sī）分校（Indian Institute of TechnologyMadras）、美國北得克薩斯大學（University of North Texas）和美國陸（lù）軍研究實驗室的研究人員使用一種含有釓、釔和鋯等稀土元素的鎂合金，經（jīng）過熱（rè）機械加工（gōng）技術（嚴重塑性變形（xíng）和老化處理），共同開發出一種工程鎂合金。該合（hé）金強度（dù）高、延展性好，可在較高的應變速率下實現超塑（sù）性，從總體上減少製（zhì）造時間、精力和成本。同時，此類合金具有（yǒu）較好的輕量化特性，有助於汽車減重從而降低碳排放量。研究人（rén）員表示，作（zuò）為最輕的節能型結構材料，鎂合金具有強大（dà）的（de）潛力，可取代鋼和鋁合（hé）金，用於（yú）製造汽車和航空航天零（líng）部件。
（3）中美研究人員合作研發“超級鋼”，可（kě）用於製造輕（qīng）型（xíng）汽車和軍用車輛等
2020年6月，中國香港大學（University of Hong Kong，HKU）和美國勞倫（lún）斯伯克利國家實驗室（shì）（Lawrence Berkeley National Lab，LBNL）的（de）研究團隊（duì）通過增加材（cái）料屈服強度，突破了超高強度（dù）鋼的屈（qū）服強（qiáng）度-韌性組合極（jí）限，成（chéng）功研製（zhì）出（chū）具備極高的屈服強度、極（jí）佳韌性和良好延展性的“超級鋼”。“超級鋼”比目前航空航天用的馬氏體鋼效（xiào）能更高，而成本卻（què）隻有其1/5。此外，研究人員還在“超級（jí）鋼”的結構方麵取得了重大發現。“超級鋼”通過一種（zhǒng）新型“高強度誘導多層（céng）分層”增（zēng）韌機製，具備了一種獨特的抗斷裂性特征，其中主斷裂表（biǎo）麵下形成（chéng）了多個微裂紋，而（ér）微裂紋能夠有效吸收來自外部作用（yòng）力（lì）的能（néng）量，使“超級鋼”的韌性高於現有鋼材。該研究成果為實現“超級鋼”的工業化應用奠定了基礎，未來有望應用於製造高級防彈衣、高強橋梁纜索以及航空航天領域、建築領域的高強螺栓和（hé）螺母。
（4）美國利用形（xíng）狀記憶合金打（dǎ）造（zào）火星車車輪
2020年5月，NASA格倫研究中心稱正在開發一種新（xīn）型形狀記（jì）憶合（hé）金（SMA）輪胎，可滿足未來火星巡視器探索火星表麵複雜（zá）地形的需求。該形狀記憶輪胎由網狀織物金屬製成，能夠“記住”自（zì）己最理想的形狀，可在（zài）火星惡（è）劣的環（huán）境下實現可逆的材料變形（xíng），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超過所有牽引性（xìng）能的要求，並將賦予巡視器驅動能力，以跨（kuà）越不同的地形。未來（lái），研究人員將繼續推進SMA技術的成熟以使其應用於火星（xīng）車車輪（lún）上。
（5）中國研究人（rén）員研發出一種前所未有的輕質量液態金屬材料
2020年2月，中國清華大學研究人員（yuán）在全球範圍內首次提出“輕質液態金屬”概（gài）念，並發明了一種前所未有的輕質量液態（tài）金屬材料。該材料（liào）可塑性強、無害（良好（hǎo）的生物安全性）且密度輕，在溫度（dù）調節下能（néng）保（bǎo）持良好的材料一（yī）致性（xìng）和導電性（xìng），並（bìng）可在完全柔軟和堅硬的狀態之間自由切換，將液態金屬的特性發揮到（dào）極致。液態金屬是金屬材料中的新貴，有可能逐漸替代現有的材料，製造出突破（pò）性產（chǎn）品，將（jiāng）成為（wéi）繼工程塑料、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品、鋰電池、3D打印、柔性智能（néng）機器和血管機器人等領域。
（二）無機非金屬材料
無機非金屬材料是以（yǐ）某些元素的氧化（huà）物、碳化物、氮化物、鹵素化合物（wù）、硼化物，以及矽酸鹽（yán）、鋁酸（suān）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（guī）氣凝膠、水泥、玻璃和陶瓷等。無機非金屬材料是現代材（cái）料當中必不可少的（de），尤其在現代建築中（zhōng）具有不可忽視的地位。2020年，無機非金屬材料（liào）領（lǐng）域取得以下（xià）幾（jǐ）個方麵的進展。
（1）超輕、超薄、超硬（yìng）玻璃的問（wèn）世促進可折疊設（shè）備的發展
2020年1月，美國創新公（gōng）司Akhan Semiconductor利用金剛石的堅硬特性研發出一款名（míng）為Miraj的金剛石玻璃（lí），能為可折疊設備製造（zào）超輕、超薄、超硬的屏幕。該玻璃由納米金剛（gāng）石晶體材料塗裝到（dào）玻璃上製成，既可以被噴塗在塑（sù）料（聚合物）片上，也可以被噴（pēn）塗在沒有（yǒu）經過處（chù）理的柔性玻璃上，且不會影響玻璃的可折疊性。此（cǐ）外，金（jīn）剛石玻璃（lí）還（hái）具有防水疏油屬（shǔ）性及良好的（de）散熱性，可以讓手機保持較低的溫度，從而延長智能（néng）手機電池和組件的使用壽（shòu）命。Akhan Semiconductor公司表示，在智能折疊屏手機上使（shǐ）用金剛石玻璃還（hái）有很長的路（lù）要走，Miraj玻璃要到下一代柔性玻璃問（wèn）世之後才（cái）會有發揮的（de）空間。
2020年7月，日本電氣硝子株式會社（Nippon Electric Glass，NEG）成功研發出一款名（míng）為Dinorex UTGTM的化學強化專用玻璃。該款玻璃厚度僅（jǐn）為25微米（目前（qián）全球最薄的玻璃），表麵平滑、厚度均勻，具有易彎（wān）曲的特性。Dinorex UTGTM玻璃彎曲半徑可達1.5毫米，可用於製造（zào）折（shé）疊顯示屏。長（zhǎng）期以來，在生產較薄的化學強化玻璃時，需要對原始厚玻璃板進行薄化處理，而Dinorex UTGTM在玻璃（lí）成型工藝（yì）中直接（jiē）生產（chǎn）出較薄的玻璃板，省去了薄（báo）化處理環節，達到減少有害物質使用量、削減成本的效果。
（2）美國賓夕法尼亞大學開發出可在火星大氣中漂浮的輕薄（báo）納米氧化鋁板
2020年4月，美國賓夕法尼亞大學研究人員開發出可在火星稀薄大氣中漂浮的輕薄氧化（huà）鋁板。該氧化鋁板內部為中空結構，大量微（wēi）小的縫隙孔洞（dòng）分布其中（zhōng），這些孔洞（dòng）能夠防止裂紋蔓延，從而提升氧化鋁板強（qiáng）度（dù）。當（dāng）暴露在強光下時，氧化鋁板被加熱的頂（dǐng）部可與底部形成溫差，引導氣體從通道的開孔頂部吸入並（bìng）從底部排出，形成類似氣墊（diàn）的懸浮效果。每塊納（nà）米氧化（huà）鋁板的重量僅與一隻果蠅相當，理論上可承載10倍於自重的有（yǒu）效載荷。研究人員正研究能夠安裝在飛板上的小（xiǎo）型化學傳感器，進一步提高其載重量。
（3）美國空軍開發出一種可用於製造（zào）高（gāo）溫陶瓷部件的雜化納米材（cái）料
2020年8月，美國萊特·帕特森（sēn）空軍基地（dì）（Wright-Patterson Air Force Base）開發出一種用於製造陶瓷基複合材料的陶瓷先驅體聚（jù）合物接枝納米顆粒（或稱毛狀納米顆粒）。該（gāi）顆粒是一種混雜材料，由固體納米顆粒內核和圍繞在其周圍像毛發一樣的聚合物外殼組成，大小相當於（yú）一個小型病毒，可用於製備適用於噴氣發動機和高（gāo）超聲速飛行器高（gāo）溫部件的高性能陶瓷纖（xiān）維和複合材料。新材（cái）料（liào）采用了一種含矽無機聚合物，分子結構類似於矽樹脂，但卻是由矽和碳原子構成。當高溫加熱時，這種聚合（hé）物中的矽和碳（tàn）可產生化學反應轉（zhuǎn）變成碳化矽陶瓷。以往即使（shǐ）采用最先進的工（gōng）藝，陶瓷也必須經過6～10次循環滲透才能達到所需密度，而采用這種新型材料有望將滲透循環次數減少約一半，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（mù）斯克理工大學（xué）開發出一種新工藝，可以在非真空環境下生產碳化鎢、碳化硼等（děng）超硬材（cái）料
2020年9月，俄羅斯（sī）托木斯克理工大（dà）學（Tomsk Polytechnic University，TPU）研究人員開發出一種新工藝，可（kě）以在非真空（kōng）環（huán）境下生產碳化鎢、碳化鈦、碳化矽（guī）和碳化硼等（děng）超硬材料。新工藝為一種（zhǒng）合成碳（tàn）化鎢納米粉的電弧法，由於（yú）在（zài）電弧等離（lí）子體的產生中使用了（le）特（tè）殊形狀（zhuàng）的石（shí）墨電極，從而能（néng）夠在非真（zhēn）空（kōng）情（qíng）況下生成（chéng）自（zì）發自絕緣氣（qì）態（tài）介質，這極（jí）大地簡化了（le）工藝（yì）過程，並降低了能源消耗。該技術的另一個（gè）優點是可以使用磨損的鑽頭、用過的刀具零件和其他含有碳化鎢的廢料作為合成原料（liào）。研究人員表示，目前在生產效率和經濟性上尚無（wú）同類的生產技術。未來，研究人員計劃（huá）進一步優化（huà）技術工藝，將該方法運用到廢物（wù）處理方麵。
（三）高分子材料
高分子材料是由（yóu）相對（duì）分（fèn）子質量較高的化合物構成的材料（liào），包（bāo）括橡膠、塑料（liào）、纖維、塗料、膠黏劑和高分子基複合材料。高分子材料因質量輕、強度高（gāo）、耐溫和耐腐蝕等優異的性能，廣泛應用於航空航天、交通（tōng）運輸、醫療（liáo）和消費電子（zǐ）等領域。2020年，高分子（zǐ）材料領域取得以下（xià）幾（jǐ）個方麵的進展.
（1）美國（guó）陸（lù）軍開發出先進的雙聚合物3D打印材料
2020年2月，美國陸軍研究實驗室研究人員采用無模熱（rè）拉拔工藝研（yán）製出一種由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯與聚碳酸（suān）酯兩種（zhǒng）不同的聚合物組成的雙（shuāng）聚合物長絲。利用該種（zhǒng）雙（shuāng）聚合物長絲可在現有的低成本3D打印機上（shàng）生產出適用於戰場使用的堅固零部件，以（yǐ）便於士兵快速（sù）利用耐用的（de）3D打印零部件替換損壞的塑料零部件。此外，因材料和工藝問題，當前普遍使用的3D打印會出現零部（bù）件易碎、機械性能較（jiào）差、退火過（guò）程中發生過度變形等問題。但是（shì），雙聚合物長絲因含有兩種不同熔（róng）融溫度（dù）的聚合（hé）物，被用於打印出固（gù）體零部件後可放入烤箱烘（hōng）烤以提升零部件的強度。
（2）德國研（yán）發出一種仿（fǎng）生纖維黏合材（cái）料，在（zài）保持（chí）黏合性的同時具有超疏液（yè）性
2020年4月，德國馬克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute，MPI）受壁虎啟（qǐ）發開發出一種彈性纖維膠黏劑。該膠（jiāo）黏劑結合了蘑菇狀纖維的強黏附性和纖維尖端雙凹角幾何形狀的疏水性，不僅對低表（biǎo）麵張（zhāng）力液體表現出超強的疏液性，同時又保持了超強的黏合性能。研究人員表示，強疏液性（xìng）使該纖維膠黏劑能夠有效地黏（nián）附到水、油或其（qí）他液體表麵而不會損失黏合力，如攀爬機器人或可使用這種黏合材料來攀爬濕玻璃板。此外（wài），該彈性纖維（wéi）膠黏劑還具（jù）有高度可變形性和（hé）拉伸性，能夠抵抗較強程度的物理作用，大大擴展（zhǎn）了實際應用範圍。
（3）中國研製出一種新型納米（mǐ）纖維（wéi）素（sù）仿生結構材（cái）料，綜合性能突（tū）出
2020年5月，中國科學技術大學研究人員成功研製出一類天然納米纖維素仿生結（jié）構材料，解決了傳統結構材料難以兼具高強度與高韌性的問題。該材料具有輕質高強韌的優異性能，性能超越航空鋁合金和鋼，且密（mì）度僅為鋼（gāng）的1/6、鋁合金的1/2。新材料的輕（qīng）質高強韌性主要來自材料微米級層狀結構和（hé）納米三維網絡結（jié）構設計。纖維（wéi）素納米纖維內部（bù）高度結晶可以提供極高的（de）強度（dù），纖維之間通過大量氫鍵等可逆相互作用（yòng）網絡進行結合，在外力作用下這種高密度的可逆相互作用網絡可以迅速解離和重構，吸收大量能量，使材料在（zài）具有高強度的同時（shí）實現高韌性。此外，該材料還具（jù）有（yǒu）高尺寸穩定性、抗熱震、抗衝擊及高損傷容限等多（duō）種優異（yì）性能，在輕量化（huà）抗衝擊防護及緩衝材料、空（kōng）間材料、精密儀器結構件等領（lǐng）域具有廣闊的應用前景。
（4）以色（sè）列開發出柔性高分子材料，有望用於製造機器人（rén）、假肢及可穿戴設備
2020年6月（yuè），以色列理工學院研究人員（yuán）開發出一（yī）種柔性高分（fèn）子材料。該材料在遭受（shòu）刮（guā）擦、割傷或扭傷時能夠“自愈”，將其與傳感（gǎn）器相結合，有望獲得具有柔性和自我修複能力的電（diàn）子（zǐ）皮膚，未來可用於製造機器人（rén）、假（jiǎ）肢和可穿戴設（shè）備。在該項研（yán）究中，研（yán）究人員首（shǒu）先研發出柔性高分子材（cái）料（liào）和彈性體，該彈性體被（bèi）拉伸至原長度的11倍也不會斷裂。隨後（hòu）研究人員利用彈性體開發電子皮膚，並將選擇（zé）性感應、防水、自我監控和自我修複等（děng）多種功能融入電子皮膚中。利用電子（zǐ）皮膚（fū）組成的傳感係統能夠監（jiān）控（kòng）環境變量，如（rú）壓力、溫度和酸度。同時，該係統還包含能監視（shì）係統電子部件損壞的類神經元組件，以及讓受損部位加速自我修複（fù）過程的其他組件。
（5）韓國科學技術研究院開發出高透高導塑料新材料
2020年6月，韓國科學（xué）技術研究院成功（gōng）研製（zhì）出（chū）適用（yòng）於透明電極（jí）的高導電、高透明性高分子塑料新（xīn）材料。當前，透明電極中的導電高分子材料存在厚度增（zēng）加不透明度也增加的問（wèn）題。此次研究人（rén）員開發出與傳統高分子材料具有不同化學結構的（de）“自由（yóu）基高分子”材料，由此製成的導電高分子膜厚度在1微米時透明度達96%，相比傳統的10%透明度提升了近10倍。“自（zì）由基高分子”材料有望應用於未來新一代儲能材料、透明顯示材料、柔性電池和生物電化（huà）學等領域。
（6）日本三菱化學研（yán）發出可在海水中降解的塑料袋（dài）
2020年8月，日本三菱化學（Mitsubishi Chemical Holdings）研發（fā）出可在海水中降解的塑料袋。新塑（sù）料袋是根據微生物分解土壤中垃圾的相同機理研發（fā），采用甘蔗等植物性成分製成，僅（jǐn）需1年左（zuǒ）右的時間即可被海水完全（quán）分解，而普通塑料袋的自然分解通常需（xū）20～1000年（nián）不等。三菱化學希望通過推廣（guǎng）使用這（zhè）種塑料袋來幫助解決海洋塑料垃圾（jī）問題。但是（shì），由於製造技術尚（shàng）未普及，該種塑料（liào）袋的價格是普（pǔ）通塑料袋的6倍以上。
（四（sì））複合材（cái）料
複合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料，具有重量輕、強度高（gāo）、加工成型方便、彈性（xìng）優良和耐化學腐蝕等優點，已（yǐ）逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用於航空航天、汽車、電子電氣及（jí）建築等領域。隨著全球低碳經（jīng）濟、綠色經（jīng）濟的發展，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（qǔ）得以下幾個方麵（miàn）的進展。
（1）瑞典皇家理工學（xué）院開（kāi）發出“變形”碳纖維複合（hé）材（cái）料
2020年（nián）5月，瑞典皇家理工學院（KTH Royal Institute of Technology，KTH）開發出一（yī）種由兩片摻雜鋰（lǐ）離子的碳纖維和（hé）一塊固體電解質（zhì）薄片（piàn）組成的碳纖維複合材（cái）料。當接入（rù）低壓（yā）直流電時，鋰離子會從（cóng）碳纖維（wéi）的一層遷（qiān）移到另一層（céng）（通過（guò）電解液），從而使碳纖維的放電層收縮，充電（diàn）層膨脹，因（yīn）此整（zhěng）塊材料會向一側彎曲。即使電流（liú）被移除後，材料仍然保持這種形狀。但是，如果隨後接入反向電流，鋰（lǐ）離子就會向相反（fǎn）的（de）方向遷移，且不同的電壓將決定複合材料（liào）是恢複到中性的平麵形狀，還是向（xiàng）另一側彎曲。該複合材料質量雖輕，但硬度高於（yú）鋁，進一步開發後或可應用於製造不需要副翼的變形飛（fēi）機機（jī）翼，或是在不同風速下改變形狀以實（shí）現最大效率的風力渦輪機葉片。
（2）中（zhōng）美研發出高阻（zǔ）尼、高吸能與形狀記憶兼得的鎂基仿生複合材料
2020年5月，中國科學院金屬研究所與美（měi）國加州大（dà）學（xué）伯克利（lì）分校、中國工程物理研究院展開合（hé）作（zuò），借鑒天然生物（wù）材料三維互穿微觀結（jié）構的（de）原（yuán）理，將鎂熔（róng）融浸滲至（zhì）增（zēng）材製（zhì）造的鎳鈦合金骨架，構（gòu）築成輕質、高強度、高阻尼、高吸能鎂（měi）-鎳鈦仿生（shēng）複合材料。微觀三維互（hù）穿仿生結構不僅實（shí）現了鎳鈦增強相與鎂基體在性能優勢（shì）上（shàng）的互補（bǔ）與結合，而且賦予材料形狀記憶與自修複功能。新（xīn）型仿生（shēng）複合材（cái）料突破了強度和阻尼性能之間的相互製約關係，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（hé），綜合性能優於目前已知的工程材料，有望成為精密儀器、航空航（háng）天等領域的新（xīn）型阻尼減震（zhèn）材料。
（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（nián）5月（yuè），荷蘭Brightlands材料中心開始研發具有自感知功能的3D打印複（fù）合（hé）材料，以用於監控航空（kōng）航天、建築和醫療保健等領域的（de）關鍵結構狀態。該材料是一種碳（tàn）纖維（wéi）增強的聚合物基複（fù）合材料，可根據連續纖維電阻感應變化，提供自感應功能。目前該材料還在研發過程中，研究人員將首先驗證其在飛機和建（jiàn）築領域提供結構健康監（jiān）測（SHM）的可行性。同時，研究人員還在將連續碳纖維的自感知能力與增材製造技術相結合，擬使SHM應用更具（jù）成本效益，從而能夠更廣泛地擴展到新應用中。
（4）美國北卡羅來納州立大學研發出具有優異輻射屏蔽性能的複合材料（liào）
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，一種由嵌入三氧化二鉍顆粒的高分子化合物組成的（de）複合材料具有巨大的潛力，可以替代傳（chuán）統的輻射屏蔽材料，應用於太空探索、醫學成像和放射治療等領域。鉛等傳統的輻射屏（píng）蔽材料通常價格昂貴、重（chóng）量大且對人體健康和環境有害（hài）。在該項研究中，研究人員使（shǐ）用（yòng）紫外線固化方法而非（fēi）耗時的高溫固化法創（chuàng）建了高分子化合物樣（yàng）品，其中三（sān）氧化二（èr）鉍含量高達44%。隨後，研究人員對樣品進行了測試，結果表明該化合物重量輕、強度高，能有效屏（píng）蔽諸如伽馬射線等電離輻射，並且可以快速生產。
（5）瑞士研發出新型磁致感應（yīng）形狀記憶複合材料
2020年8月，瑞士保羅（luó）謝爾研究所（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變液和聚二甲基矽氧烷（PDMS）組成的新型複合材（cái）料，該材料可以在磁場下表現出形狀記憶特性。研究（jiū）人員利用水滴、甘油和羰基鐵顆粒（lì）組成磁流變液，以不同的（de）體積分數（10%和40%）分散在PDMS中製成軟磁性形狀記憶複合材料。實驗結（jié）果表明，添加體積分數為40%的（de）磁流變液（yè）使PDMS的儲能（néng）模量提高近30倍，無須加熱即可實現（xiàn）快速可逆的形狀記（jì）憶。該磁性（xìng）形狀記憶複合材料在生物醫學（xué）、航空航天、電子和機器（qì）人等領域有顯著的應用潛力，如在醫學領域進行血栓微創手術時可改變導管的硬度，減輕副作用（yòng）；在太空探索領域（yù）可作為（wéi）自行充氣（qì）或折（shé）疊的輪胎安裝在探測漫（màn）遊車上；在電子設備（bèi）領域（yù）可用於製造（zào）柔性電源、數據電纜（lǎn）或可穿戴（dài）設（shè）備。
三、先進（jìn）功（gōng）能材料
功能材料是（shì）指（zhǐ）通過光、電、磁、熱、化學和生化（huà）等作用後具有特定功能的材料。進入21世紀（jì）以來，功能材料成為新材料領域研究的重點（diǎn），是國民經濟（jì）、社會（huì）發展及國防建設的基礎和先導，推動信息通信、能源（yuán）、航空航天、生物醫療和國防等領域的發展（zhǎn）。近年來，先進信息材料、新能源材料、生物（wù）醫用材料和節能（néng）環保材料等先進（jìn）功能材料發展迅（xùn）猛，前沿、顛（diān）覆性技術不斷湧現，給全球可持續發展、產業升級與變革等帶來了深刻影響。
（一）先（xiān）進信息材料
先進信息材料（liào）是為實（shí）現信息探測、傳輸、存儲（chǔ）、顯示和處理等功能使用的材料，是人類社會步入信息時代的物質（zhì）基礎，也是科技（jì）創新和國際競爭最（zuì）為激烈的技術領（lǐng）域。近年來，隨著人工智能、量子信息和大數據等技術（shù）的發展，新型（xíng）信息器件不斷湧現，信息材（cái）料正加速向多功（gōng）能化、薄膜化、高性能和低功耗（hào）方向發展。2020年，先進（jìn）信息材料領域取得以（yǐ）下幾個方麵的進展。
（1）美國（guó）北卡羅來納州立大學研製出超薄可拉伸電子材料（liào），具有氣體滲透性
2020年5月，美國北卡羅來納州立大學研製出一種超薄、可（kě）拉伸、可透氣（qì）的電子材（cái）料。研究人（rén）員使用了一種稱為呼（hū）吸（xī）圖法的技術（shù）來製造（zào）具有均勻孔分布的可拉（lā）伸聚合物薄膜，通過將薄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，將納米線封住。由於（yú）銀納米線正好嵌入到聚合物表麵正下（xià）方（fāng），因此在出汗和長（zhǎng）期磨損的情況（kuàng）下，該材（cái）料也表現出（chū）出色的穩（wěn）定性。研究人員表示，這種薄（báo）膜（mó）在導（dǎo）電性、光學透光性（xìng）和水蒸氣滲透性（xìng）方（fāng）麵表現出良好的組（zǔ）合特性。研究團隊創建的第（dì）一個原型是可安裝在皮膚上（shàng）用作電生理傳感器的幹電極。
（2）韓國開發出新型導電黏合劑，可將集成電路密度提高逾（yú）20倍（bèi）
2020年5月，韓國（guó）成均館大學（Sungkyunkwan University，SKKU）和三星電子合作開發出一種導電（diàn）黏合劑，可以將集成電路密度提高20倍以上。該黏合劑由納米金屬顆粒製成，用於在（zài）電（diàn）路板上集成微（wēi）型的電子設備。通過這項（xiàng）研究，研究人員已成功將數（shù）千（qiān）個比頭發還細的30微米×60微米微型LED組（zǔ）裝在低溫低壓的（de）柔性板上。此外，該項（xiàng）技術可以實現在比（bǐ）信用卡更小的（de）基板上排列60萬個相距100微米的微（wēi）型（xíng）LED。與目前市場（chǎng）上的（de）其（qí）他黏合劑不同，該導電黏合劑（jì）能（néng）夠應用於可彎曲和展開的柔性基板上（shàng），這意味著其將為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
2020年7月，韓國三星電子宣布（bù），三星高級技術學院（Samsung AdvancedInstitute of Technology，SAIT）與蔚山國家科學技術學（xué）院（UlsanNational Institute of Science and Technology，UNIST）、劍（jiàn）橋大學兩家高校合（hé）作，成功製備出（chū）一種3納（nà）米厚的無定型氮化硼薄膜（a-BN）。該薄膜在100千赫茲和1兆赫茲的工作頻率下分別展示了1.78和1.16的超低介電（diàn）性質，極度接近於空氣的介電值1，並且表（biǎo）現出優異的（de）機械、高（gāo）壓穩定性。研究人員表（biǎo）示，無定型氮化硼薄膜具有極低的介電常數、高擊穿電壓和出色的（de）金屬阻擋性能（néng），可實現（xiàn）更小（xiǎo）巧、更緊湊的電子解（jiě）決方案，推動器件進一步（bù）小型化發展。
（4）俄羅斯南烏拉爾州立大學研（yán）發出環保且可應用於多種傳感器的材料
2020年7月，俄羅斯南烏拉爾州立大（dà）學（South Ural State University）的研究人員合成了適用於製造壓力、溫（wēn）度、電場和磁場傳感器的陶（táo）瓷材料。當前，許多用於製造傳感器（qì）的現代材料都含（hán）有鉛，其（qí）廣泛（fàn）使用會造（zào）成環境汙（wū）染並（bìng）對人體健（jiàn）康產生負麵影響（xiǎng），無法大規模生產。而南烏（wū）拉爾州立大學研究人員通過研究基於鉍鐵氧體的陶瓷材（cái）料的相變（biàn）結構，發（fā）現該種材料對外部因素（溫度、電勢（shì）、磁場、壓力）高度敏感，不僅可以被（bèi）用於製造（zào）傳感器，而且（qiě）該材（cái）料屬於多鐵性合金，對環境（jìng）更加友好，可能成為（wéi）未來傳感器材（cái）料的發展（zhǎn）方向。
（5）日本（běn）東（dōng）京大（dà）學開發出一種磁性材（cái）料，可提供更高的存儲密（mì）度
2020年10月，日（rì）本東京大學（The University of Tokyo）研究人員開發出（chū）一種磁性（xìng）材料——ε氧（yǎng）化（huà）鐵。該磁性材料加上特殊的訪問方法（fǎ），可以（yǐ）提供（gòng）比以往更高的存儲密度。研究人員稱，當（dāng）施加外部磁場時，ε氧化鐵會在高頻波情況下（xià）發生磁方向翻轉，隨後數據就被鎖定在磁帶存儲器中。此外，ε氧化鐵材料的魯棒性意味著數據存儲時間將比（bǐ）其他介質更長，並且可以在低功耗（hào）下（xià）運行，未來有望應用於需（xū）要（yào）進行長期（qī）存儲的應用中。研究人（rén）員（yuán）希望能在未來5～10年內開（kāi）發出（chū）基於新磁性材料的磁帶存儲（chǔ）器，其數據容量可達當前容量的10倍。
（6）麻省理工學院研究表明“金屬化”金（jīn）剛石（shí）可製備新型量子（zǐ）探測器和傳感器
2020年10月，美（měi）國麻省理工學院和新加坡南洋理工大學（NanyangTechnological University，NTU）利用量子力學和機（jī）械變形的（de）計算（suàn）機模擬發現，使金剛石納米針變形，會使其（qí）導（dǎo）電性從絕緣體變為半導體，再變為高導電性金屬。電子在材料中移動的難易程度是以材料的帶隙來衡量的，帶隙越大，電子越難通過。在（zài）5.6電子伏（fú）特下，金剛石通常具有超寬的帶隙，是絕緣（yuán）體。但是，當（dāng）對金剛石納米針施加外力時，可以（yǐ）使其產生應變。施加的外力越大，應變越（yuè）大，帶隙就（jiù）越（yuè）窄，從而使金剛（gāng）石轉化成（chéng）優良的（de）導電體。研究人員稱，“金屬化”後的金剛石可（kě）以製造新型量子探測器和傳（chuán）感器。
（二（èr））新能源材料（liào）
新能（néng）源材料是指支（zhī）撐新能源發展，具有能量存儲和能量轉換功能的材料，主要包括燃料電池（chí）材料、鋰離子（zǐ）電池材料、太陽能電池材料、相變儲能材料、金屬氫化物鎳電（diàn）池材料和半導體照明發光材料等。近年來，隨著氣候變化、能源危（wēi）機等全球性（xìng）問題進一步凸顯（xiǎn），新（xīn）能源材料成為世界各國重點關注的技術領域之一，政（zhèng）策扶持與資金支持不斷加碼。2020年，新能源材料領域取得以下進展。
（1）澳大利亞昆士蘭大學在（zài）量子點太陽能電池效率方麵取得（dé）重大突破
2020年2月，澳大利亞昆士蘭大學研究人員開發出能量轉換（huàn）效（xiào）率（lǜ）高達16.6%的新型量子（zǐ）點太陽能電池，比此前世（shì）界紀錄高出近25%。該（gāi）電池采用了銫和甲酰（xiān）胺鉛三碘鈣鈦礦體係，並用油酸（suān）配體輔助陽離子交換策略（luè），提供了穩定的基於鈣鈦（tài）礦的（de）光伏和光電子學（xué）的途徑。研究團（tuán）隊通過控製量子點上的表麵功能化學物質，開發出一種新（xīn）的表（biǎo）麵工程方法，不（bú）僅可以穩定量子點，還可以保持電子通過的路徑（jìng）平滑，使量子（zǐ）點（diǎn）將太陽能轉換為（wéi）電能的效率大大提高。此外，由於這些量子點具（jù）有柔（róu）韌性，並（bìng）且能夠以較低成本大規模打印，因此可將其用作透明（míng）皮膚，為汽（qì）車、飛機、房屋和可穿戴（dài）設（shè）備提供動力。
（2）美國西（xī）北太平洋國（guó）家實驗室設計出一種新型納米結構，可用於製造（zào）高性能鋰離子電池陽極
2020年4月，美國（guó）能源部西北（běi）太平洋國家實驗（yàn）室（Pacific NorthwestNational Laboratory，PNNL）研究人員設計出（chū）一（yī）種新型納米結構，能夠賦予矽非凡的強（qiáng）度，使其有望成為鋰離子電池的陽極（jí）材料。近（jìn）年來，隨著對更（gèng）高能（néng）量密度電池的需求不斷增加，石墨基電極亟待升級，而矽被認（rèn）為是一（yī）種很好的（de）升級版材（cái）料（liào）。但矽在遇（yù）到鋰時會大幅膨脹，可能（néng）會（huì）導致鋰電池陽極破裂粉化。為解決這一難題，研究人員將細小的矽顆粒聚集到直（zhí）徑約8微米的微球（qiú）中，形成一種相當於紅細胞大小的分層多孔（kǒng）矽結構。這種結構就像海綿一樣，內部有空間吸收膨脹壓力。研究表明，這種分層多孔結構具有出色的電化學性（xìng）能、機械強度和結構完整性，可用（yòng）於製造（zào）高性能鋰離子電（diàn）池陽極，其可容納（nà）的電荷（hé）也是典型石（shí）墨基陽極的兩倍。
（3）瑞典林雪平（píng）大學研發出穩定的鈣鈦礦——有機分子複合薄膜，可用於開發高效（xiào）發光二極管（guǎn）
2020年4月，瑞典林雪平（píng）大學（Linköping University，LiU）與中國、英國和捷克組成的國際團隊（duì）合作研製出一種效率高、穩定性強的鈣鈦礦發光二極管（Light Emitting Diode，LED）。鈣鈦礦是當今（jīn）熱門的半導體材料之一，其獨特的（de）晶體結構使其具有（yǒu）卓越的光學及（jí）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（kuàng）LED並不是特別穩定，無法投入實際應用。此次研究（jiū）團隊采用鉛、碘和有機物質甲脒製備了（le）新（xīn）型鈣鈦礦材料，並將鈣（gài）鈦礦材料嵌（qiàn）入到有機分（fèn）子基體中，最終形成一種複合薄膜。其中（zhōng），末端有兩（liǎng）個氨基的有機分子有助於穩定鈣鈦礦的結構，鉛和碘（diǎn）有助於提（tí）升鈣鈦礦的發光性能（néng）。測試結果表明，新型鈣鈦礦LED的效率為17.3%，服役壽命超過（guò）100小時（shí）。
（4）美國愛達荷國家實驗室研發出新型氧電極材料，可使電化學電池實現“三重傳導”
2020年5月，美國愛達荷（hé）國家實（shí）驗室（Idaho National Laboratory，INL）研發出一款可用作電化學電池的新型氧電（diàn）極材料。該材料是一種鈣鈦礦化合物，此前氧電極隻傳導電子和氧（yǎng）離子，而新型鈣鈦礦（kuàng）能（néng）夠進行“三（sān）重傳導”，即可傳導（dǎo）電子、氧離子和質子。在實際應用中，能夠進行“三重傳導”的電（diàn）極會更快（kuài）、更高效地發生（shēng）反應，因而可以在保持良（liáng）好性能的同時，降低操作溫度。研究人員表示，使用該材料（liào）的電池能夠高效（xiào）地將多餘的電力和水（shuǐ）轉化為（wéi）氫（qīng），當電力需求增加時，該電池能夠反過來將氫（qīng）轉換成（chéng）電，用於電網供電。未來，研究人員希望繼續（xù）將創新材料與前沿製造工（gōng）藝相結合，繼續改進該款電化學電池，以使其可以應用於工業化生產。
（5）英國研發石墨烯基催（cuī）化劑，可製成使用壽命（mìng）更長的氫燃料電池
2020年8月，英（yīng）國倫敦瑪麗女王大學（Queen Mary University ofLondon）和倫敦大學學院（University College London）的研究（jiū）團隊通過一鍋合成法，生產出包裹著鉑納米顆粒的高質量石墨烯，並將其用於研發氫燃（rán）料電池催化劑。氫燃料電池在催化劑作用下使氫和氧（yǎng）結合，將化學能轉化為電能，是一種高效且（qiě）環保的能源。在（zài）氫燃料電池中，鉑是使用最廣泛的（de）催化劑，但成本高昂，這也是阻止氫燃料電池實現（xiàn）商業（yè）化的一大難題。為解決（jué）該（gāi）問題，商用（yòng）催化（huà）劑通（tōng）常是在（zài）較便宜的碳載體上裹上微小的鉑納米顆粒，不過此種材料耐用性很差，大大縮短了當前燃料電池的使用壽命。研（yán）究（jiū）表明（míng），石墨烯具有耐腐蝕性、表麵積大且（qiě）導電性高等優點，可能是氫燃料電池催化劑（jì）的理想支撐材料。與現有的催化劑相比，石墨烯基催化（huà）劑更（gèng）耐用且性能相當，可用於大（dà）規（guī）模生產，有望在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，可（kě）用於製備電動汽車超級（jí）電容器
2020年9月，美國加州大（dà）學（xué）河濱分校研發了一種方法（fǎ），以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的納米（mǐ）材料。研究人員首先將塑料瓶的碎片溶解在溶（róng）劑中，然後采用靜電（diàn）紡絲工藝，用聚合物製出微小的（de）纖維，並在熔爐中將塑料絲碳化。在與黏結劑和導電劑混合後，該材料（liào）被幹（gàn）燥，並（bìng）被組裝成硬（yìng）幣電池芯類型（xíng）的雙層超級電容器。當（dāng）在超級電容器中測試（shì）該（gāi）材料時（shí），該材料包含了由分散離子電荷和電子電荷形成的雙層電容器（qì），以及當（dāng）離（lí）子被電化學反應吸收到（dào）材（cái）料（liào）表麵時產生的氧化還原反應偽電容的特性。雖然此電容器存儲的能量不如鋰離子電（diàn）池多，但充電速度要快得多，可（kě）以讓很多基於塑料廢料製成的電池應用到更多領域（yù）。
（7）英國發現可將太（tài）陽（yáng）能存儲數月（yuè）乃至數年的特殊材料
2020年12月，英國蘭開斯特大學研究人（rén）員發現一種可將太陽能存儲數月乃（nǎi）至數年的特殊材料——金屬有機框架（Metal-Organic Framework，MOF）材料。MOF材料是多孔的，因此可與其他小分子形成複合材料。MOF材料通過（guò）添加吸收光（guāng）的化合物偶氮苯分子，最終形成（chéng）的複合（hé）材料能在室溫下將吸收的紫外線能量儲（chǔ）存至少4個月（yuè），然後再釋放出來。目前大（dà）多數光響應材料僅能存儲幾天或幾周能量，而MOF材料（liào）成為該領域的重大突破。研（yán）究人員稱，該材料仍需要做（zuò）一些改（gǎi）進才能實現商業化，未來有望（wàng）用於為（wéi）汽車風窗玻璃除冰或為（wéi）家庭和辦公室提供額外的熱量。
（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（yuè），德國海姆霍茲柏（bǎi）林材料所研（yán）發出目前全球最高轉（zhuǎn）換效（xiào）率的鈣鈦礦—矽疊層太陽能電池，轉換效率高達29.15%。此外，該電池即使在沒（méi）有封（fēng）裝的情況下也能（néng）提供300小時的（de）穩定電量。在該項研究中（zhōng），研究人員為鈣鈦礦—矽（guī）疊層電池開發了一種特殊的電極接觸層，用於光學耦合頂部和底部電池，同時還（hái）改進了（le）界麵層。在鈣（gài）鈦礦—矽疊層電池中，矽將大部分太陽光的紅外（wài）/近紅外（wài）轉化為電能（néng），而鈣（gài）鈦礦化合物則主要利用光（guāng）譜的可見光部分（fèn）。因此，由矽和鈣鈦礦製成的疊層太陽（yáng）能（néng）電池可比（bǐ）單個（gè）電池（chí）實現更高的效率。當前，該太陽能電池在1平方厘米的樣品（pǐn）中（zhōng）測試（shì）成功（gōng）。研究人員希望未來將其擴大到更貼合實際應用的尺寸。
（三）生物醫用材料
生物醫用材料是指以醫療為目的，用於診（zhěn）斷、治療、修複、替換人體組織器官或增進其功（gōng）能的新型高技術材料，是材料科（kē）學技術中一（yī）個高速發展的（de）新領域。近年來，隨著生物技術的蓬勃發展和重大突破，生物醫用材料已成為各（gè）國研究和開發的熱點。2020年，生（shēng）物醫用材料（liào）領域取得以下幾（jǐ）個方麵的進展。
（1）瑞典隆德大學開發出一種可治愈傷口的非抗生（shēng）素凝膠（jiāo）
2020年1月，瑞典隆德大學（Lund University）研究人員（yuán）開發出一種用於愈（yù）合傷口的凝膠。該凝膠不（bú）僅可以殺死（sǐ）對抗生素產生耐（nài）藥性的細（xì）菌，還可以減輕傷口內的炎症。該凝膠含（hán）有一種名為TCP-25的肽，可通過殺死傷口部位的有害細菌來幫助預防感染。在對大（dà）鼠和豬進行的實驗室測試中發現，該凝（níng）膠可在使用後24小時內減少傷口發（fā）炎，並在隨（suí）後3～4天內顯著減少細菌數量。隆德大學正在與瑞典生物醫學初創公（gōng）司in2cure AB進行合作，使該技術商業化，並希望該技術能（néng）很快應用（yòng）於燒傷（shāng）患者的臨床試驗中。下一步，研究人員計劃開發用於治療眼部感染和其他內部器官感染的（de）新型肽（tài）基藥物。
（2）中國天津大學（xué）開發出可追蹤（zōng）癌細胞位置的新型水凝膠材料
2020年2月，天津（jīn）大（dà）學研究（jiū）人員（yuán）成功研發出新型長餘輝水凝膠。該水凝膠由腫瘤（liú）特異靶向性的“長餘輝納米探針”和“海藻酸鈉水凝膠”構成，通過表麵修飾腫瘤特異性配體，能夠靶向識別、持續標記不同腫瘤（liú）細胞（bāo），其進入活體後，能夠在腫瘤細胞上長時間（jiān）標（biāo）記並發（fā）出近紅外光，使（shǐ）腫瘤細胞的轉移活動形成一幅發光的“實時位置軌跡圖”。試驗結果顯示，新型水凝膠有很高（gāo）的靈敏（mǐn）度（dù）且生物相容性好，無毒無副作用，不影響腫（zhǒng）瘤的轉移和侵襲。研究人員（yuán）表示，該水凝膠（jiāo）可以（yǐ）針對各種類型的癌細胞進行定製化設（shè）計，從（cóng）而為各種腫（zhǒng）瘤轉移研究提供通用檢測（cè）平台，在癌症治（zhì）療領域具有廣闊前景。
（3）瑞典查爾（ěr）默斯理工大學開發出無毒柔性材料，可用於藥（yào）物精準治（zhì）療
2020年3月（yuè），瑞（ruì）典查爾默斯理工大（dà）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（xiàng）容性材料。該材料內部充斥著（zhe）納米（mǐ）孔洞（dòng），是一種三維網絡結構，其成分類（lèi）似於有機玻璃，但柔韌性、彈性要優（yōu）於有（yǒu）機玻璃。研究人員表示，未來可以（yǐ）將一塊載有藥物的材料植入體內，以精確（què）地將藥物輸送到需要的地方，從（cóng）而最大限度地減少了口（kǒu）服（fú）同（tóng）一藥物所帶來（lái）的副（fù）作用。此外，該材料還可用於替（tì）換體內（nèi）軟骨或其他軟組織，但這可能需要提前3D打印替（tì）換零件，然後通過傳統（tǒng）手術（shù）方（fāng）式（shì）將（jiāng）其植入。
（4）美國哈佛大學醫學院製備出一種可以直接打印（yìn）成具有多級孔結構的水凝膠生物（wù）墨水
2020年（nián）9月，美（měi）國哈佛大（dà）學醫學院（Harvard Medical School，HMS）報道了一種（zhǒng）基於甲基丙烯酰化明膠的（de）生（shēng）物墨（mò）水的製備方法，實現了具有納米孔—微孔—大孔多級孔的細胞負載（zǎi）水凝膠結構的3D生物打印，並且證明這種多孔級水凝膠在（zài）微創組織再生和細胞治療方麵的應用前景。多孔水凝膠由於內（nèi）部（bù）存在著大量孔結構，可在注射（shè）前後（hòu）具有形狀記（jì）憶功能，利用該功能可以將其直（zhí）接注射到組織缺損空（kōng）間內（nèi）並與周圍（wéi）的宿主組織結合，實現組（zǔ）織再生修複（fù）。同時，該方法避免了侵（qīn）入（rù）性外科手術，能極大地減輕（qīng）患者的痛苦，有望在組織工程、再（zài）生醫學和個性（xìng）化治療方麵得到應用。
（5）俄羅斯合成一種新（xīn）材（cái）料，可有效止（zhǐ）血還具明顯的抗菌活性
2020年9月，俄羅斯門捷列夫化工大學（Mendeleev University ofChemical Technology of Russia，MUCTR）研究人員用殼聚糖、藻酸鹽兩種生物聚合物和銀納米顆粒合成一種新材料，形如一塊5厘（lí）米厚的多孔海綿，可用於開（kāi）放（fàng）性傷口快速止血，同時防止感染。當前，市麵上的各種止血材料大部分隻注重快速（sù）止血（xuè），不適合更長期的治療。而此次研發的（de）新材料中，殼聚糖與藻酸鹽結（jié）合形成的凝膠，在浸（jìn）入溶液時可以保持穩定。同（tóng）時，殼聚糖具有抗菌作用，可促使血液成分結合（hé），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（guó）開發出將藥物（wù）和銀結合起來的植入物塗層，可防止術後感染
2020年11月，德國弗（fú）勞恩（ēn）霍夫製造技術和先進材料研究所（FraunhoferInstitute For Manufacturing Technology And Advanced Material）與柏林大學醫學院（Universität zu Berlin）合作開發（fā）出將藥物和銀結合起來的植入物塗層。研究人員利用（yòng）激（jī）光對浸過抗（kàng）生素溶液的鈦合（hé）金髖（kuān）關節表麵進行結構化處理（lǐ），使金屬表麵充滿含（hán）有抗生素溶液的微孔，然後再使用物理氣相沉（chén）積技術（shù）在金屬上塗一層（céng）具有抗菌（jun1）性的銀。植入髖關（guān）節（jiē）後，抗生素能從微孔中流入周圍組織，有助於防止術後立即出現任何感染（rǎn），而銀（yín）會在（zài）幾周內釋放殺菌（jun1）離子，為（wéi）愈合階段提（tí）供防感染保護。此外（wài），植入物髖關節表麵的微孔（kǒng）使其能夠更好地與鄰近的骨融合。
（四）節（jiē）能環（huán）保材料
節能環保材料廣（guǎng）義上是指應用於節能環保產業的相關材料（liào）。近年來，隨著世界各國加強對節能環保產業（yè）的扶持力度，節能環保產業技術水平顯著提升，節（jiē）能（néng）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。
（1）日本（běn）神戶大（dà）學研發出一種能夠有效分離油和水、可（kě）重複使（shǐ）用的薄膜
2020年1月，日本神戶大學（Kobe University）薄（báo）膜技術（shù）研究中心（xīn）在多（duō）孔聚（jù）酮（Porous polyketone，PK）薄（báo）膜上塗覆10納米厚的二氧化矽塗層，成功開發出能夠有效分離油和水且能夠重複使用的薄膜。其中，PK薄膜具（jù）有大孔徑和高孔隙率，水滲透性良好；矽化過程（在PK纖維上（shàng）添加二氧（yǎng）化矽）提供了堅固的拒油塗層（céng），可保護表麵（miàn）改性膜免受汙染，從而實現可重複使用。該薄膜的另一個優點是不需要很大的壓力即可實現高透（tòu）水性，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，也（yě）可有效地從各種不同的油性乳液中分離出水。
（2）美國萊斯大學研發出可將塑料等垃圾變成石墨烯的新技術
2020年2月，美國萊斯大學研發出（chū）一種新工藝，可將廢棄（qì）食品、塑（sù）料廢（fèi）料、石油焦、煤、木屑和生物（wù）炭等垃圾快速轉化成有價（jià）值的石墨烯薄片。新工（gōng）藝（yì）名為“閃蒸石墨烯（xī）”技（jì）術，可在10毫秒內將碳源加熱至3000開爾文（2727攝氏（shì）度）以製得（dé）石墨烯（xī）薄片，其成本低於其他的石（shí）墨烯生（shēng）產方法。這類石墨烯的潛在應用包括將其混入用作黏結混（hún）凝土的水（shuǐ）泥（ní）中，可將混凝土對環境的影響降（jiàng）低（dī）1/3。研究人（rén）員表示，新技術可將固體碳基（jī）物質（zhì）和橡膠等塑料廢料轉化為石墨烯，有助於（yú）解決食物浪費、白色汙染等全球問題。
（3）新加坡國立大（dà）學研發出（chū）新工藝將廢舊輪胎橡膠轉（zhuǎn）換為多用途氣凝膠
2020年3月，新加坡國立大學（xué）研究人員開發出一種將舊輪胎（tāi）橡（xiàng）膠轉換為高價值氣凝膠的方法。研究團隊首先將廢棄的汽車輪胎切成細橡膠纖維，然後將纖維浸入由水和少量（liàng）“生態友好型”溶（róng）劑組成的溶液中，使纖維彼此交聯。機械攪拌20分（fèn）鍾（zhōng）後，該混合物形成液體凝膠（jiāo），交聯纖維均勻懸浮（fú）其中。最後（hòu）將（jiāng）該凝（níng）膠倒入（rù）模（mó）具，並在零下50攝氏度下冷凍幹燥12個小時後，得到固體橡膠氣凝膠。該氣凝膠（jiāo）具有隔熱、隔聲和吸收性強等優點，製造過程簡單、經濟高（gāo）效且環保，生產一塊麵（miàn）積為1平方米且厚度為1厘米（mǐ）的橡膠氣凝膠的成（chéng）本不到10新幣，具有良好的應用前景。
（4）美國科羅拉（lā）多大學利（lì）用細菌生產礦物質和聚合物，打（dǎ）造環保的建（jiàn）築材料
2020年3月，美國科羅拉多大（dà）學博（bó）爾德分校（University of ColoradoBoulder）利（lì）用細菌來生產礦物質和聚合（hé）物，以打造環保的建築材料。研究團隊對大腸杆菌進行編程，成功生產出（chū）不同尺寸、形狀和剛度的石灰岩顆粒，以及用於製造聚苯乙烯泡沫的苯乙烯單體。石灰岩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。研究人員表示，基於（yú）合成生物學和基因（yīn）編輯等技術，細菌還可用於生產自愈材料、環境感知材料和發光材（cái）料等，應用前景十分廣泛。
（5）澳大利亞莫納什大學利（lì）用特（tè）殊材料快速將（jiāng）海水轉化成飲用（yòng）水
2020年8月，澳大利（lì）亞莫納什（shí）大學（Monash University）開發出一種新型海水淡化技術。研究團隊將聚螺吡喃丙烯酸酯加入一種金屬有機框架材料的孔隙中，獲得（dé）一種名為PSP-MIL-53的材（cái）料。據介紹，該材料可以在30分鍾內將海水等鹹水中的鹽分及有害顆粒吸附出來，並使水質達到世界衛生組織規定的飲用水安全標準。隨後，隻要經（jīng）過陽（yáng）光照射，材料就會很（hěn）快釋放出吸附的鹽分等顆粒，從而實現重複使用。據實驗數據表明，每千克特殊材料可以過濾（lǜ）139.5升的飲用水，並且使用（yòng）特殊材料所耗費的成本（běn）遠低於現（xiàn）在的海水（shuǐ）淡化技術。新型技術利用陽（yáng）光實現（xiàn）可持續的鹹水（shuǐ）淡（dàn）化，為發展低耗能、具有可（kě）持續性的海水淡化技術開（kāi）辟出一條全新的道（dào）路。
（6）國際研究團隊研發出可反複利用、無限循環的塑料
2020年8月，美（měi）國科羅拉多州立大學、中國北京大學和沙特（tè）阿拉伯阿卜杜拉（lā）國王科技大學（King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）的研究團隊通過從生物（wù）基烯烴羧酸中製（zhì）備橋聯雙環硫內（nèi）酯單體，製備出一種新型塑料PBTL。該塑料可以很容易地分解並（bìng）重新組合成高質量的產品，並且這個過程可以（yǐ）無限重複。研究人員首先用（yòng）催化劑在100攝氏度下進行整體解聚來測試塑料，測試結果表明PBTL已（yǐ）被分解成原來的單體。隨後，在室溫下分（fèn）解PBTL樣品（使用催化劑），再次檢測到樣品已（yǐ）經分解成原來的單體。最（zuì）後，利用以上製得的單體仍可（kě）以再製造出PBTL。一係列性能測試表明，PBTL具有優異的強度、韌性和穩定（dìng）性，可用於製造塑料包（bāo）裝（zhuāng）、運動器材、汽車零部件、建築材料和其（qí）他產品（pǐn）。
四、前沿新材料
前沿新材料是具有戰略性、前（qián）瞻性和顛覆性的新材料，是（shì）未來產業發展（zhǎn）的（de）製高點（diǎn），具有重要的引（yǐn）領作用和重大的應用前景。近年來，在世（shì）界各國的（de）積（jī）極推動下，二維（wéi）材料、智（zhì）能材（cái）料和超材料等前沿材料發展迅猛，前沿、顛（diān）覆性技術不斷湧現，支撐著一大批高新（xīn）技（jì）術產業的發展。
（一）二維材料
二（èr）維（wéi）材料（liào）是厚度為（wéi）幾納米或（huò）更小的由（yóu）單層原子組成的結（jié）晶材料，具有特殊的電學、熱學、光學（xué）和力學等性能，在（zài）高端電子和光電子（zǐ）器件、能源轉化與存儲及複合材料等（děng）領域有著廣闊的應用前景。2020年，二維材料領域取得以下幾個方（fāng）麵的進展。
（1）芬蘭（lán）阿爾托大學實現了厘米級尺寸的二維材料扭曲
2020年（nián）5月，芬蘭阿爾托大學（xué）（Aalto University）基於外延生長法和水助劑轉移（yí）法，開發出一種可將大（dà）尺寸二維材料層進行扭曲的（de）新方法。近年來，單層原（yuán）子組成的二維材料憑借著獨特的電、光和機械特性，被廣泛應用於（yú）激光、光電、傳感（gǎn）器和醫療（liáo）等領域（yù）。研究人員發現將二維材料放在另一材料上並稍做旋（xuán）轉時，扭曲會從根本上改變雙層材（cái）料的性能，如高溫超導性、非線性（xìng）光學及超潤滑性，這促使了扭（niǔ）曲與電子（zǐ）學（xué）的結（jié）合。芬蘭阿爾托大學以二硫化（huà）鉬材（cái）料為主要（yào）研究對象，不僅可以精確控製單原子層之（zhī）間的扭曲角，還可將扭（niǔ）曲層的尺（chǐ）寸（cùn）由以（yǐ）前的（de）微米級擴展至厘米級，實現了大尺寸二維材料扭（niǔ）曲。未來，研究人員計劃將該扭曲方法應（yīng）用於其他二（èr）維分（fèn）層材料上。
（2）瑞士洛（luò）桑聯邦理工學院設（shè）計出一（yī）種基於二維半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（qì）件實驗室設計並論證了一種基於二維（wéi）半導（dǎo）體材料的新型器件，其效（xiào）能幾乎與人類神經元相當。研究人員利用（yòng）二硒化鎢和（hé）二硒化錫柵極結的能帶對準機製，開發出被稱為二維隧穿晶體管的高（gāo）能效二維晶體管。二（èr）維隧穿晶體管工作原理類（lèi）似於“山中開鑿隧道”，能（néng）夠以更低的能耗實現開關的接通和關斷操作。研究（jiū）人（rén）員通過原子模擬測試（shì）驗證了二（èr）維隧穿晶體管的性能，其比類似的（de）二維半導體（tǐ）材料製成（chéng）的晶體管性（xìng）能更高（gāo），且電源電壓非常低。二維隧穿晶體（tǐ）管可用於構（gòu）建類似於大腦神經元的節（jiē）能電子係統，未來（lái）有（yǒu）望在可穿戴設備和人工智能芯片領域得到應用。
（3）美國研發出厚度（dù）僅三個原子的二維金屬芯片，可使芯片存儲速度提高100倍
2020年7月，美國斯坦福大（dà）學（xué）、加州大學伯克利分校和得克薩斯農工（gōng）大學（Texas A&M University，TAMU）的研究人員利用層狀二碲化鎢製成（chéng）了二維金屬芯片，其厚度僅為三個原子。研究人員對二碲化（huà）鎢薄層結構施加（jiā）微小電流，使其奇數（shù）層（céng）相對於偶數層發生穩定且快速的偏移，並利用奇偶層的（de）排列來存儲二進製數據。數據寫入後，再通過一種稱為（wéi）貝利曲率的量子特性，在不幹擾排列的情況下（xià）讀取數據。與（yǔ）現有的基於矽的數據（jù）存儲係統相比，新芯（xīn）片可以將更多的數據填充到極小的物理空間中，非常節能。此外，二碲化鎢薄（báo）層結構奇偶層偏（piān）移速度很快，可以使數據寫入速度比現有技術快100倍。目前，團隊已為該（gāi）設計申請了專利，並繼續（xù）研究下一步改（gǎi）進方法，如尋找除（chú）二碲化鎢之外的其他二維材料。
（4）中國（guó）製備出一種不存（cún）在已知母體材料的全新二維層狀材料
2020年8月，沈陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部在化學氣相沉（chén）積法生長非層狀二維氮（dàn）化鉬的過程中，引入矽元素（sù）鈍化其表麵（miàn）懸鍵，製備出一種不存在已知母體（tǐ）材料的全（quán）新二維範德華（huá）層（céng）狀材料MoSi2N4，並獲得了厘米級單（dān）層薄膜。研究發現，單層（céng）MoSi2N4具有半導體性（xìng）質和優於二硫化（huà）鉬的理論載流子（zǐ）遷移率，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性（xìng）。此外，研究人員通過理論計算預測出了十（shí）幾種與單層MoSi2N4具有相同結構的二維層狀材料，包含不同（tóng）帶隙的半導體、金屬（shǔ）和磁性半金屬等。探索不存在已知三維母體材料的新型二維層狀（zhuàng）材料，可極大拓展二（èr）維材料的物性和應用，具有重要的科學意義（yì）和實用價（jià）值。
（5）美國德雷克塞爾大學開發（fā）出一種可（kě）阻擋電磁波和（hé）其他（tā）輻射的二維材（cái）料
2020年（nián）12月，美國德雷克（kè）塞爾大學（Drexel University）研究人員開發（fā）出一（yī）種稱為MXene的塗層和相關新型織物。MXene塗層是一種二（èr）維材料，具有導電性，已被證明在阻擋電磁波和有害輻射方（fāng）麵非常有效。此外，MXene可（kě）以穩定地製成噴（pēn）霧塗層、墨水或油漆，使其可以應用於紡（fǎng）織品中。研究表明，如果（guǒ）將普通的棉布或麻布（bù）浸塗在MXene溶（róng）液中，可以（yǐ）阻擋電磁幹擾，效果大於99.9%。而使用這種（zhǒng）工藝塗覆的織物在正（zhèng）常（cháng）條件下存（cún）放兩年後（hòu），其屏蔽效（xiào）率隻（zhī）損失了大約10%。
（二）智能材料
智能材料是指具有感知環境刺激能力（lì），可以進行分析（xī）、處理、判（pàn）斷，並采取（qǔ）一定的措施進行（háng）適度響應的智能特征的材料，是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之後的第四代材料。自20世紀90年代起，智（zhì）能材料迅速（sù）發展起來，成為一種全新（xīn）的材料分支（zhī）學科，並朝著更加高性能化、多（duō）功能化、複合化、精細（xì）化和智能（néng）化方（fāng）向發（fā）展。2020年，智能材料領域取得以下幾個方麵的進展。
（1）美（měi）國加州大學聖迭戈分校研發出全新（xīn）熱偽裝（zhuāng）材料，可自行適應環境溫度
2020年3月，美國（guó）加州大學聖迭戈分校（University of California，SanDiego）研究人員開發出一種可適應（yīng）環境溫度的新型熱偽（wěi）裝材料。該材（cái）料為一（yī）種柔性材料，由蠟狀相變物質及（jí）熱（rè）電（diàn）合金組成，由集成（chéng）電池供電，並由佩戴者（zhě）通過無線電路板控製（zhì）。施加電流時，材料能夠在不到一分鍾的時（shí）間內在10攝氏度（dù）到38攝氏度範圍內改變溫度。當環境溫度高於30攝氏度時，材料會通過相變吸收熱量；當環境溫度低於30攝氏度時，材料會固（gù）化並起到（dào）隔熱作用。該材料已（yǐ）被合並到（dào）迷（mí）彩服的臂章中。研究人員（yuán）希望最終可以打造出完（wán）整（zhěng）、貼身的夾克。
（2）中國天津大學研發出“全天候（hòu）自愈合材料”，可在嚴寒、深（shēn）海和強酸堿等極（jí）限條件下快速自愈合（hé）
2020年6月，中國天津大學成功研發出“全天候自愈合材料”，該材料能在（zài）嚴寒、深海（hǎi）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”。研究人員充分利用了不同動態鍵的相互協同作用，使材料（liào）在不借助（zhù）任（rèn）何外界能源的條件下，同時實現高彈（dàn）性、高拉伸性和快速修複損傷的（de）功能。實驗結果顯示，新型自愈合材料在室溫下可實（shí）現10分（fèn）鍾內快速愈合，愈合後可承受（shòu）超過自身重量500倍的重物，並在零下40攝氏度的低溫（wēn）、過冷高濃度鹽水下甚（shèn）至在強酸強堿性環境中都表現出了高效的自愈合性能。下一步，研究人員計劃將材料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感知體表的壓力、水流和溫度等，為先進電子設備打（dǎ）造真正的“智能皮（pí）膚”。
（3）日本東京大學開發出可自我修複（fù）的新複合材料
2020年6月，日本東京大學與美國（guó）卡耐基梅隆大學研究人（rén）員聯合開發出具有自我修（xiū）複能力的新複合（hé）材料“MWCNTs-PBS”。該材料由聚矽氧烷（PBS）和多層碳納（nà）米管（MWCNTs）複合而成，具（jù）有機（jī）械和電氣自愈性。研（yán）究人員將PBS、MWCNTs-PBS和其他常見的（de）軟材料結合在一起，構建出具有自愈合、傳感（gǎn）和驅動（dòng）能力的接口設備。自修（xiū）複材料的應用範圍極為廣泛，包（bāo）括軍用裝備、電子產（chǎn）品、汽車、飛機和建築材料等領（lǐng）域，其中在智能手機和平板電（diàn）腦屏幕上的（de）應用最受關注（zhù），此次研究人員使自修複材料向（xiàng）實用化方向又邁進了一步。
（4）英國劍橋大學研發出（chū）由納米（mǐ）顆粒製成的光熱驅動變色（sè）皮膚
2020年6月，英國劍（jiàn）橋大學研（yán）發出一種人造變色皮膚，在光照或加（jiā）熱時會變色。該皮膚變色機理源於其中的納米顆粒。研究人員先（xiān）將14納米（mǐ）的金顆粒（Au）包裹在聚（N-異丙基丙烯酰胺）（pNIPAM）外殼中，製成Au@pNIPAM芯—殼結構納米顆粒，再用流動聚焦微流體裝置和碳氟（fú）油產生含納米顆粒的水滴，最後將（jiāng）水滴轉移至油中以防蒸發。當光照或加熱至32攝氏度以（yǐ）上時，納米顆粒會聚集在油水界麵處，並沉積到水滴底部，材料呈深藍色；當溫度降低後，納米顆粒通過布朗運動（dòng）重新分散，材料呈紅色。用這種機理可研製光隱身皮膚、光/熱（rè）敏感變色（sè）材料等，甚至通過激光（guāng）照射構建可編程控製顏色（sè）的材料（liào）。
（5）美、德研（yán）究人員研發（fā）聚合物材料，可使軟（ruǎn）機器人實現自我修複
2020年（nián）7月，美國賓夕法（fǎ）尼亞州立（lì）大學和德國（guó）馬克斯·普朗克研究所研究人員受烏賊圓環齒啟發，聯合開發（fā）出一種能夠實現（xiàn）自我修複的聚合物材料。研究人員通過研究烏賊圓齒軟硬混（hún）合蛋白質（zhì）的序列，在細（xì）菌（jun1）生物反應器中創造出具有（yǒu）重複氨基酸序（xù）列的聚合物材料（liào），其能夠在水（shuǐ）和熱量的（de）作用下快速（sù）實現自我愈合，且愈合時間小於同類（lèi）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（wǒ）修複的軟機器人和執行器，幫助其延長使用壽命（mìng）。
（6）美國開發出可回收、可自愈的（de）聚合物3D打印材料
2020年8月，美國得克薩斯農工大學和美國（guó）陸軍研究實驗室聯合開發出一種可回（huí）收、自愈合的聚合物3D打印材料。研究人員利用低聚物線性預聚（jù）物和交聯劑二苯甲烷雙（shuāng）馬來酰亞胺（àn）的混合物製成（chéng）新（xīn）型樹脂材料，通過增加該材料內部交聯分子的數量，可（kě）以控製（zhì）該材料的強（qiáng）度水平，使其（qí）能夠像橡膠般柔軟或具備塑料般的強度。該（gāi）聚合（hé）物材料暴露在（zài）高溫下時，化學鏈接會脫離或（huò）重連，因此可經過（guò）簡單加熱來實現修複。該材（cái）料能夠在幾秒鍾內自愈，並且可以進行3D打印，在假肢（zhī）、柔性機器人及航空航天（tiān）部件製（zhì）造領域具有應用潛力。
（7）美國（guó）研製（zhì）出可作為（wéi）軟體機器人的仿生材料
2020年12月，美國西北（běi）大學（Northwestern University，UN）研究人員研製出一種仿（fǎng）生（shēng）材料，其本身可以作為一種軟體（tǐ）機器人，不僅能夠在液態環境中行動自如地完成拾取（qǔ）和運輸物體等任務，而且前進速度達到了每秒一步，甚至與人類步伐速（sù）度相當。該仿生材料軟（ruǎn）體機器人大小隻有幾厘米長，形狀像帶有四（sì）條腿的章魚，內嵌的鎳製骨架（jià）使其能（néng）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（kōng）間中執行重要（yào）任（rèn）務。該（gāi）類（lèi）仿生軟體機（jī）器人在生產燃料和藥物、海洋環境清理或變革性醫（yī）療的（de）“智能”微觀係統中具有應用前景。
超材（cái）料是21世紀以（yǐ）來出現的一類（lèi）人工複（fù）合材料，具備天然材料所不具備的（de）特殊物理性質。作為最熱門的新興技術之一，超材料正持（chí）續引發信息技術、國防工（gōng）業（yè）、新能（néng）源及微（wēi）細加（jiā）工的重（chóng）大變革。2020年，超材（cái）料領域取（qǔ）得以下幾個方麵的進展（zhǎn）。
（三）超材料
超材（cái）料是21世紀以來出現的一（yī）類人工複合材料，具備（bèi）天然材料所不具備（bèi）的特殊物（wù）理性質。作為最熱門的新（xīn）興（xìng）技術之一，超材（cái）料正持續引發信息技術、國防工業、新能源（yuán）及微細加工的重大變革。2020年，超材料領域取（qǔ）得以下幾個方麵的進展。
（1）美國南（nán）加州大學開發出新型智能聲學超材料，可控製聲波的傳播方式
2020年3月，美國南加州大學研究（jiū）人員（yuán）受鯊魚皮膚啟發，研發（fā）出可控製聲（shēng）波傳播方式的新型（xíng）智能聲學超（chāo）材料。傳統聲學超材料通常由金屬或塑料製成，聲學特性單（dān）一，難以對（duì）不同聲（shēng）波信號進（jìn）行處理。此次研究人（rén）員利用鯊魚皮膚具有雙重（chóng）聲學特性的（de）原理，采用橡膠和鐵納（nà）米顆粒製備出智能（néng）聲學超材（cái）料，利用了橡膠易於彎曲和拉伸、鐵納米顆粒可響應磁（cí）場變化的特性。該聲學超（chāo）材料（liào）構成的柱狀陣列通過分開或靠近即可實現聲波的傳播或阻斷，目前尚處（chù）於實驗室測試階段，未來研究人員還（hái）將對（duì）其進行水下測試（shì）。
（2）英國和土耳其合作設計出模塊化超材料，可用於數據加密和可逆解密
2020年7月，土耳其畢爾肯大學（İhsan Doğramacı-Bilkent University）與英國曼（màn）徹斯特大學（xué）（University of Manchester）合作設計出一（yī）種模塊化超材料，可用於數（shù）據加（jiā）密和可逆解密。該材料由兩部（bù）分組成，頂部是透明的彈性襯底，其上塗覆約10納米厚的金屬層；底部是120納米厚的銀膜，其上塗覆介電層，以反射大部分入射光。當頂部和底部放在一起時，頂部的金屬層與底部（bù）的銀膜形成光學腔，腔的顏色等性質由（yóu）介電層厚度決定。此時，在介電層上製作的圖案即可由不同顏（yán）色顯（xiǎn）示。除去頂部後，圖（tú）案就會（huì）消失，從而實現一次加密多次重複解密（mì）。該（gāi）項（xiàng）研究為光學加密提供了一種（zhǒng）更實用的途徑，可用於秘密信息傳遞...
今年四甲鎮工業經濟實現穩健開局，1至3月，四甲鎮工業經濟實現應稅銷（xiāo）售11.45億元，入（rù）庫稅金5099萬元（yuán），增幅均位列海門區中心鎮第一。
“是金屬新材料產業拉動了全鎮工業經濟穩增（zēng）長。”四甲鎮黨委書記黃紅（hóng）傑說。四甲鎮是海門區確立的金屬新材料產業鏈上的主體鎮，黨（dǎng）委政府按照區（qū）委（wěi）、區政府的決策部署，緊扣金屬新材料主導產（chǎn）業，實施精準招商，加快（kuài）項目建設，培育龍頭企業，將四甲鎮（zhèn）打造成產業特色（sè）最明顯、產業門類最齊全的金屬新材料研發生產基地，爭取（qǔ）用3至5年的時間，全鎮（zhèn）金屬（shǔ）新材料產業（yè）年（nián）應稅銷售突破50億元。
構建梯次發展格局
南通愛爾思輕（qīng）合金精密成型有限公司繼獲得2021年度工業金牌企業之後（hòu），今年穩健開局，1至3月，愛爾思實（shí）現（xiàn）應稅銷售6848萬元，同比增幅19.8%，入庫稅金747萬元。
南通愛爾思輕合金精密（mì）成（chéng）型（xíng）有限公司是一家專（zhuān）門從事高壓、超高（gāo）壓電氣（qì）裝備用鋁合金（jīn）鑄件的生產企業，是國（guó）家高新技術企業，為輕（qīng）合（hé）金精密成型國家工程（chéng）研究中心的產業化基地。該公司（sī）成立20多年來，始終專注鋁合金鑄件（jiàn）的研發與（yǔ）生產（chǎn），充分發揮省級工程技術中心的優勢，不斷技術創新、工藝創新，研（yán）發生產的（de）產品與國際先（xiān）進產品媲美，為國內外著名（míng）高壓（yā）電氣（qì）裝備製造商的優質供應商，產品遠銷美國、德（dé）國、瑞士、意大利、日本、加（jiā）拿大等10多個國家，同時（shí）也為國內西電、思源等20多家企業供貨。該公司（sī）還（hái）成功研製部分醫療產品並已批量生產。目前，該公（gōng）司已經成為四（sì）甲鎮金屬（shǔ）新材（cái）料產業的支（zhī）撐企業。
金屬新材料產業是四甲鎮工業領域的特色產業，也是支撐型產業。經過多年發展（zhǎn）積（jī）累，四（sì）甲鎮（zhèn）金屬新材料門類繁多，包括鋁合金製品、鎂合金製品、特種（zhǒng）鋼絲、特種不鏽鋼製品、特種銅材製品（pǐn）等，擁有12家規上企業。四甲鎮的（de）3家區百強企業均集聚在金屬新材料領域，目前，年應稅銷（xiāo）售約10億元（yuán），占四甲鎮規上工業總量的三（sān）分之（zhī）一。
“加快構（gòu）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（yè）的關鍵。”黃（huáng）紅傑說（shuō），目前，四甲鎮金屬新材料企業體量不大，支撐（chēng）作用還不明顯。“十四五”期間，四（sì）甲鎮將重點實施內培外引，重點培育新江科技、南通愛爾（ěr）思、滬海有色鑄（zhù）造、金輪特種鋼（gāng）絲、中興（xìng）精密、中興創元等企業，引導（dǎo）這些企（qǐ）業不斷加大技改投入、科技創新、經（jīng）營模式（shì）創新力度，全力提升發展能級，做大做強、做精做優，力爭形成（chéng）以10億元級企業為龍頭、5億元級企（qǐ）業（yè）為支撐、億元級企業為基礎的（de）梯次（cì）發展新格局。江蘇中興精密機械有限公司（sī）今年將投入900萬元進行技改，擴大半導（dǎo）體材料生產規模。1至3月（yuè），該（gāi）公司應稅銷售、入庫稅金分別為7406萬元、651萬元，同比增幅分（fèn）別（bié）為32.2%、48.1%。今年，四甲鎮在金屬新材料行（háng）業將新增3家（jiā）規上工業企業，全年力爭實（shí）現應稅銷售突（tū）破（pò）15億元。
堅持產業鏈招商
今年，海門區有5個產業項目列入省級重大項目，其中一個就落地在四（sì）甲鎮，為海門中國航天裝備新型（xíng）鈦合金材料項目。這是上海航天精密機械研究所在四甲鎮投資（zī）的第二（èr）個輕合金材料重特大項目。
四甲鎮是上海航天（tiān）精密（mì）機械研究所打造的輕合金材料產業基地，鎂合金材料項目是基地的（de）第一個重大項目，於去年5月份成立了新江科技（江蘇）有限公司，9月份全麵（miàn）投產。上海航天精（jīng）密機械研（yán）究所隸屬中航科技集團，擁有60多年輕合金研製的曆程積澱，具（jù）備（bèi）鎂、鋁、鈦等輕合金結構件“材（cái）料研發—鑄造（zào）成形—精密數控加工—無損（sǔn）檢（jiǎn）測—表麵防護—服役可靠性評價”全鏈路核心技術（shù）和研發能力（lì），可提（tí）供輕合金結構件全流程研製的整（zhěng）體解決方案。在特大型鎂合金鑄件鑄造（zào）、超細長變壁厚鋁合金鑄件鑄造、大型複雜薄壁艙體反重力鑄造和（hé）新型高強耐熱稀土鎂合金材（cái）料鑄（zhù）造等方麵均處於國內領（lǐng）先水（shuǐ）平，先後獲得國際鑄造博覽會“鑄造材料金鼎獎”、“優質（zhì）鑄件金獎特別獎”、國防（fáng）科技進步一等獎、省（shěng）部級科技成果二等獎等榮譽。
輕合金材料（liào）是四甲（jiǎ）鎮（zhèn）金（jīn）屬新材料中的重點。在鎂合金材料項目實施中，區鎮兩級全力服務，確保了該項目快速竣工投（tóu）產，去年實現（xiàn）應稅銷售5000萬元（yuán），今年有望突破2億元。上海航天精密機械研究（jiū）所又將鈦合金項（xiàng）目布點在四（sì）甲鎮的產業基地。據介紹，鈦（tài）合（hé）金項目（mù）主要（yào）建（jiàn）設鈦合（hé）金精密成型自動化生產（chǎn）線（xiàn）、鈦合金（jīn）結構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）和高性能防熱隔熱材料製備生產線等，目前正在做開工前的（de）籌備工（gōng）作。
“圍繞產業鏈招商，使我們招商引資重心更聚焦。”四（sì）甲鎮黨委副書記、鎮長王洪新說。今年以來（lái），四甲鎮以招商引資突破年為抓手，以航天新材料產業園和高端智能裝備產業（yè）為載體，依托中航科技集團第八研究所、上海航天精密機（jī）械（xiè）研究（jiū）所等，以上海和蘇（sū）南為重點，加大金屬（shǔ）新材料項目招引力度。到目前為止，四甲鎮在手在（zài）談的超億元項目12個，其中重特大（dà）項目3個（gè）。總投資（zī）2億元的鈹銅合金電子材料研發製造項目是四（sì）甲鎮成功招（zhāo）引（yǐn）的金屬新材料產業項目（mù），該項目技術含量高，曾獲得上海市科技進步一（yī）等獎。目前，項目已經注冊成（chéng）立（lì）訊連科技公司。
全力打造營商環境（jìng）
最（zuì）近，四甲鎮（zhèn）出台“聚力領航工程”實施方案，創新工作模式，打破固有的（de）條線分割，成立黨建領航、產業強盛等6個工作專班，整合條（tiáo）線中堅力（lì）量，挖掘機關幹部內在潛力，實現四甲鎮機關幹部服務企業、服務項目、服務群眾的（de）能力作風大提升，助力四甲鎮營商環境的大提升。
訊連科技一入駐四甲（jiǎ）鎮，就實實在在感受到這（zhè）裏的營商環（huán）境之好、之優。為推動該項目的快速落地，四（sì）甲鎮與投資商一起，與省有色金屬協會等機構主（zhǔ）動（dòng）對接，為該項目（mù）定性，最終將其確定為新型電子（zǐ）元器件，為該（gāi）項目破解了落地瓶頸。投資（zī）商十分感動（dòng），表態項目的建設周（zhōu）期為半（bàn）年，並決定在項目建成前，先在四甲鎮租賃廠房生產。四甲鎮又迅速為其（qí）落實了租（zū）賃（lìn）的廠房（fáng），預計訊（xùn）連科技今年有望實現應稅銷售超億元（yuán）。最近，投資商又為四甲鎮（zhèn）介（jiè）紹了高精度自動化設備研（yán）發製造項目和（hé）新型銅合金（jīn）製造項目。
“項目落得下、推得快，投產後遇到的問題能夠及時（shí）解決，是投資（zī）商最看重的營商環境。”黃紅傑說，四甲鎮全力當好企業（yè）的金牌“店小（xiǎo）二”和（hé）星級服務員。該鎮專門成立了由黨政主（zhǔ）要領導掛帥（shuài）的產業強盛專班（bān），整合經濟發展、項（xiàng）目建設（shè）、科技（jì）創（chuàng）新、統計等各條線人員，構建從項目（mù）注（zhù）冊到項目投產的全方位、全周期、全鏈條項目保障“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（fú）務，幫（bāng）助解決實際困難，為企業健康快速發展創（chuàng）造條件。鈦合金項目作為（wéi）首（shǒu）季力爭開工的項目，四甲鎮按（àn）照區委、區政府要求（qiú），超前服務（wù），圍繞產能、能耗、環評的前置條件，赴省有關（guān）部門匯報，為項目順利開工創造了條件。
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