2017年世界前沿科技发展态势及2018年展望——新材料篇

2017年态势总结

科技强国纷纷推进先进结构材料3D打印化进程。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室成功开发出可3D打印的航空级碳纤维复合材料，为未来3D打印碳纤维在航空领域广泛应用奠定了基础。西门子开发出可耐受1250℃高温的3D打印金属燃气涡轮叶片，将叶片的研发时间缩短了近90%，极大降低了产品的开发成本。美国哈佛大学使用陶瓷泡沫墨水3D打印出轻质高强材料。美国加州大学科学家3D打印出高强度铝合金，其强度与锻造材料相当。

全球环境问题日益突出，可替代传统石化能源的新型材料更受关注，太阳能电池、储氢与超导等技术不断取得新进展。如美国能源部伯克利国家实验室开发出“无序”结构的锂电池阴极材料，结构稳定性和电池容量都有较大提升。美国德克萨斯大学奥斯汀分校开发出名为“交叉共晶合金”(IdEA)的新型阳极材料，可帮助缩小锂电池体积或将电池容量提升两倍。美国北卡罗莱纳州立大学研制出硼掺杂碳基超导体材料，将超导临界温度由11开尔文提升至37-57开尔文。

随着量子计算与量子通信技术的飞速发展，量子芯片材料研究受到全球广泛关注。中国科技大学与日本国立材料研究所合作开发出新型二硫化钼二维材料半导体量子晶体管，为制备柔性量子芯片提供了新途径。美国普渡大学、麻省理工学院和阿贡国家实验室等科研机构合作研制出镍酸钐“量子材料”，或可推动模仿人类大脑的新算法研究。美国斯坦福大学研制出能在室温下操作的量子芯片材料，包括一种量子点和两种“色心”，使量子处理装置向实际应用跨出一大步。

在显示材料方面，德国弗劳恩霍夫研究所的科研人员开发出纯石墨烯OLED电极的制备工艺，可用于制作新一代触摸屏材料、太阳能电池板等高端产品。韩国LG和三星向德国OLED材料开发商 Cynara投资2500万欧元，以支持其开发涵盖全系列色彩的有机发光材料。美国伊利诺伊大学和陶氏电子材料公司开发出既能发光又能感光的新型多功能纳米LED。在半导体材料方面，美国伊利诺伊大学成功在硅衬底上生成氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管结构。美国莱斯大学研究人员通过氟改性，将二维六方氮化硼从绝缘体转变为半导体材料。中科院物理研究所、半导体研究所与浙江大学等科研机构成功研制了满足高压碳化硅(SiC)电力电子器件制造所需的4-6英寸SiC单晶生长炉关键装备。

2018年趋势展望

人工智能技术对新材料开发的推动作用初步显现，如美哈佛大学研究人员借助机器学习算法，利用“废弃”数据成功预测新材料的合成。美哈弗福德学院和普渡大学利用人工智能预测制备亚硒酸盐晶体的反应条件，其准确度高于有十余年经验的材料化学家。量子计算技术在新材料开发方面的优势得到验证，如IBM公司科学家利用其研发的全新算法，成功在7量子位系统中模拟出氢化铍(BeH12)分子。2018年，随着人工智能与量子计算等先进信息技术的发展与成熟，新材料模拟和预测速度将大大加快，新材料的开发过程或将产生颠覆性的改变。

当前，环境问题持续发酵，世界各国正努力推进可持续发展和绿色经济。在这一背景下，开发低能耗、可循环使用、可生物降解以及环境负荷低等性能的新材料得到了全球科研机构与科技企业的广泛关注。2018年，与绿色经济和可持续发展直接相关的新材料的研发与商业化进程将持续加速，生物医用材料和节能环保材料等新材料的开发将受到广泛重视。3D打印技术在仿生材料、医用材料、航空航天器件、新武器、可穿戴器件等领域将会获得飞速发展。

随着生物医用材料、信息材料、新能源材料等新材料的持续开发，以及人工智能和量子计算在新材料研发中的加速应用，材料与其他学科将广泛交叉融合，多学科交叉在材料创新中的作用将进一步凸显。2018年，新材料与其它高技术和新兴产业的交叉融合将开创新局面，颠覆性前沿新材料的研究和应用将进一步扩展。