2017年世界前沿科技發展態勢及2018年展望——新材料篇

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新材料領域

2017年態勢總結

先進結構材料3D列印化進程加速

科技強國紛紛推進先進結構材料3D列印化進程。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室成功開發出可3D列印的航空級碳纖維複合材料，為未來3D列印碳纖維在航空領域廣泛應用奠定了基礎。西門子開發出可耐受1250℃高溫的3D列印金屬燃氣渦輪葉片，將葉片的研發時間縮短了近90%，極大降低了產品的開發成本。美國哈佛大學使用陶瓷泡沫墨水3D列印出輕質高強材料。美國加州大學科學家3D列印出高強度鋁合金，其強度與鍛造材料相當。

新能源材料不斷取得重大突破

全球環境問題日益突出，可替代傳統石化能源的新型材料更受關注，太陽能電池、儲氫與超導等技術不斷取得新進展。如美國能源部伯克利國家實驗室開發出「無序」結構的鋰電池陰極材料，結構穩定性和電池容量都有較大提升。美國德克薩斯大學奧斯汀分校開發出名為「交叉共晶合金」(IdEA)的新型陽極材料，可幫助縮小鋰電池體積或將電池容量提升兩倍。美國北卡羅萊納州立大學研製出硼摻雜碳基超導體材料，將超導臨界溫度由11開爾文提升至37-57開爾文。

疊子晶元材料成為研發熱點

隨著量子計算與量子通信技術的飛速發展，量子晶元材料研究受到全球廣泛關注。中國科技大學與日本國立材料研究所合作開發出新型二硫化鉬二維材料半導體量子晶體管，為製備柔性量子晶元提供了新途徑。美國普渡大學、麻省理工學院和阿貢國家實驗室等科研機構合作研製出鎳酸釤「量子材料」，或可推動模仿人類大腦的新演算法研究。美國斯坦福大學研製出能在室溫下操作的量子晶元材料，包括一種量子點和兩種「色心」，使量子處理裝置向實際應用跨出一大步。

新型半導體材料和顯示材料繼續強勢發展

在顯示材料方面，德國弗勞恩霍夫研究所的科研人員開發出純石墨烯OLED電極的製備工藝，可用於製作新一代觸摸屏材料、太陽能電池板等高端產品。韓國LG和三星向德國OLED材料開發商 Cynara投資2500萬歐元，以支持其開發涵蓋全系列色彩的有機發光材料。美國伊利諾伊大學和陶氏電子材料公司開發出既能發光又能感光的新型多功能納米LED。在半導體材料方面，美國伊利諾伊大學成功在硅襯底上生成氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管結構。美國萊斯大學研究人員通過氟改性，將二維六方氮化硼從絕緣體轉變為半導體材料。中科院物理研究所、半導體研究所與浙江大學等科研機構成功研製了滿足高壓碳化硅(SiC)電力電子器件製造所需的4-6英寸SiC單晶生長爐關鍵裝備。

2018年趨勢展望

先進信息技術變革新材料開發過程

人工智慧技術對新材料開發的推動作用初步顯現，如美哈佛大學研究人員藉助機器學習演算法，利用「廢棄」數據成功預測新材料的合成。美哈弗福德學院和普渡大學利用人工智慧預測製備亞硒酸鹽晶體的反應條件，其準確度高於有十餘年經驗的材料化學家。量子計算技術在新材料開發方面的優勢得到驗證，如IBM公司科學家利用其研發的全新演算法，成功在7量子位系統中模擬出氫化鈹(BeH12)分子。2018年，隨著人工智慧與量子計算等先進信息技術的發展與成熟，新材料模擬和預測速度將大大加快，新材料的開發過程或將產生顛覆性的改變。

綠色、環保、高效和低碳成為新材料發展的主題

當前，環境問題持續發酵，世界各國正努力推進可持續發展和綠色經濟。在這一背景下，開發低能耗、可循環使用、可生物降解以及環境負荷低等性能的新材料得到了全球科研機構與科技企業的廣泛關注。2018年，與綠色經濟和可持續發展直接相關的新材料的研發與商業化進程將持續加速，生物醫用材料和節能環保材料等新材料的開發將受到廣泛重視。3D列印技術在仿生材料、醫用材料、航空航天器件、新武器、可穿戴器件等領域將會獲得飛速發展。

材料與物理、化學、生物、信息等多學科交叉融合加劇

隨著生物醫用材料、信息材料、新能源材料等新材料的持續開發，以及人工智慧和量子計算在新材料研發中的加速應用，材料與其他學科將廣泛交叉融合，多學科交叉在材料創新中的作用將進一步凸顯。2018年，新材料與其它高技術和新興產業的交叉融合將開創新局面，顛覆性前沿新材料的研究和應用將進一步擴展。

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