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2017年材料領(lǐng)域十大創(chuàng)新點(diǎn)
在過(guò)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(diǎn)，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(jì)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(guò)微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)。
這種材料制造的火箭可以在發(fā)射時(shí)保持剛性、降落時(shí)變軟以實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用;自行車(chē)輪胎可以在騎行時(shí)自動(dòng)變換硬度，以適合任何路況;汽車(chē)在發(fā)生事故時(shí)方向盤(pán)可以及時(shí)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(wú)窮
仿生材料涵蓋的材料種類(lèi)千差萬(wàn)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(lái)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(qiáng)度及韌性超過(guò)生物軟骨、皮膚的合成水凝膠;受到植物種子的啟發(fā)，通過(guò)操作微結(jié)構(gòu)來(lái)控制熱處理中的各向異性收縮而實(shí)現(xiàn)自成形的陶瓷材料�？梢灶A(yù)見(jiàn)在各類(lèi)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(shì)。為了打破即將到來(lái)的瓶頸、推動(dòng)電子信息產(chǎn)業(yè)的持續(xù)進(jìn)步，近年來(lái)新的半導(dǎo)體材料始終是材料領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)之一。以往的第三代半導(dǎo)體材料，以及石墨烯開(kāi)創(chuàng)的二維半導(dǎo)體材料都曾被廣泛關(guān)注。
2016年，來(lái)自不同機(jī)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(guó)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(lái)第一種穩(wěn)定的P型(帶正電荷的“空穴”運(yùn)動(dòng))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(guò)了硅，在更低溫度下，這項(xiàng)指標(biāo)還會(huì)成倍増長(zhǎng)。德國(guó)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(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料SnIP，具有類(lèi)似于DNA分子的雙螺旋形，體現(xiàn)出了極強(qiáng)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(lèi)似于砷化鎵(GaAs)的電子性能，而且熱穩(wěn)定性更高、原料價(jià)格低廉、幾乎沒(méi)有毒性。
鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池材料穩(wěn)定性獲突破
有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池在2009年被首次報(bào)道，在2013年被Science被評(píng)為十大科技進(jìn)展之一。這種新型的太陽(yáng)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(diǎn)關(guān)注。經(jīng)過(guò)近6年的發(fā)展，這類(lèi)太陽(yáng)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(yáng)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(duì)一直困擾著相關(guān)產(chǎn)品實(shí)用化的穩(wěn)定性問(wèn)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(yáng)能電池實(shí)用化進(jìn)程中的一大步。
此外，有機(jī)-無(wú)機(jī)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(diǎn)還使其還有望用于LED照明領(lǐng)域。
國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)軍高等級(jí)碳纖維市場(chǎng)
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(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，同國(guó)外先進(jìn)企業(yè)差距明顯，進(jìn)口產(chǎn)品占整個(gè)市場(chǎng)銷(xiāo)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(chǎng)，進(jìn)口產(chǎn)品占有率甚至達(dá)到95%，且長(zhǎng)期處于被禁運(yùn)的窘境。
目前，國(guó)內(nèi)T300級(jí)和T700級(jí)碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量已達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平。2016年，哈爾濱天順化工科技開(kāi)發(fā)公司宣布繼去年成功實(shí)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(jí)碳纖維生產(chǎn)技術(shù),產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到日本T800級(jí)碳纖維技術(shù)水平。中復(fù)神鷹碳纖維公司的千噸級(jí)T800原絲生產(chǎn)線也投入生產(chǎn)。這些成果打破了國(guó)外禁運(yùn)的限制，加速了國(guó)產(chǎn)碳纖維的進(jìn)口替代步伐。
石墨烯產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)一步豐富
石墨烯問(wèn)世以來(lái)，其神奇性能被多個(gè)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(chǎng)空間不斷拓寬：利用其超高強(qiáng)度，全球第一輛在車(chē)身中添加了石墨烯材料的汽車(chē)和自行車(chē)分別在英國(guó)問(wèn)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(jià)值20,000歐元的CMOS傳感器的價(jià)格降至10歐元;一種新型揚(yáng)聲器摒棄了傳統(tǒng)的電磁激勵(lì)振動(dòng)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(dòng)空氣振動(dòng)發(fā)出聲音，能夠產(chǎn)生更高的聲壓。相信石墨烯會(huì)在許多其他意想不到的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
智能纖維帶動(dòng)傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型
在我國(guó)，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(lái)了新的升級(jí)路徑和市場(chǎng)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(guò)吸/放熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)功能化、信息化，例如能夠?qū)⑷梭w運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能并給手機(jī)充電的褲子、具有顯示功能的衣服等。這將為整個(gè)紡織行業(yè)帶來(lái)一次革命性的發(fā)展機(jī)遇。
拓?fù)涑瑢?dǎo)材料奠定量子計(jì)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(guò)多次高潮和沉寂。拓?fù)涑瑢?dǎo)在2006年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，迅速成為凝聚態(tài)物理界新的研究熱點(diǎn)。近日，我國(guó)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(chēng)為Majorana費(fèi)米子的無(wú)能隙態(tài)。據(jù)理論預(yù)測(cè)，Majorana費(fèi)米子可以用于量子計(jì)算，因此對(duì)拓?fù)涑瑢?dǎo)材料的研究將直接關(guān)系到未來(lái)計(jì)算機(jī)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(zhǎng)期出現(xiàn)在各類(lèi)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(jià)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(chǎng)份額十分有限，僅占整個(gè)隔熱材料市場(chǎng)的幾個(gè)百分點(diǎn)。
隨著技術(shù)進(jìn)步，氣凝膠產(chǎn)品的性價(jià)比逐漸上升，冶金、石化、建材、熱力管網(wǎng)等工業(yè)市場(chǎng)正在逐漸打開(kāi)，近年來(lái)氣凝膠市場(chǎng)的復(fù)合增長(zhǎng)率已經(jīng)達(dá)到了36.4%。業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)在未來(lái)十年左右我國(guó)將迎來(lái)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(huì)因此形成數(shù)百億元規(guī)模的潛在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。此外氣凝膠在吸附催化、吸音隔音、絕緣、儲(chǔ)能、海水淡化、藥物緩釋、體育器材等消費(fèi)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(guó)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(gè)團(tuán)隊(duì)多年以來(lái)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(shí)在290k(16.85℃)的高溫下還能顯示出了超導(dǎo)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)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(lái)“金屬氫消失”的新聞?dòng)忠鹆藦V泛的爭(zhēng)議，但金屬氫的研究本身仍然是值得長(zhǎng)期關(guān)注的。
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