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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)超材料應用前景廣闊
“超材料(metamaterial)”指的是一些具有人工設計的結構并呈現出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復合材料。這些超常性能主要是由其精細的微觀(guān)結構，而非組成成分導致的。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(guān)結構的設計而體現出負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)地可以根據受力情況轉換。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)數量級。
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)現重復利用;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：模仿蟬翼表面納米錐結構研發(fā)出了具有優(yōu)秀抗霧能力的納米織構材料;首次合成了強度及韌性超過(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)操作微結構來(lái)控制熱處理中的各向異性收縮而實(shí)現自成形的陶瓷材料�？梢灶A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。
新型半導體材料多樣化發(fā)展
隨著(zhù)以傳統硅基半導體材料為基礎的超大規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。為了打破即將到來(lái)的瓶頸、推動(dòng)電子信息產(chǎn)業(yè)的持續進(jìn)步，近年來(lái)新的半導體材料始終是材料領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)之一。以往的第三代半導體材料，以及石墨烯開(kāi)創(chuàng )的二維半導體材料都曾被廣泛關(guān)注。
2016年，來(lái)自不同機構的科研人員又貢獻了數種全新的、具有應用潛力的新型半導體材料。美國猶他州大學(xué)的科研人員發(fā)現的二維氧化錫(SnO)是有史以來(lái)第一種穩定的P型(帶正電荷的“空穴”運動(dòng))二維半導體材料。“石墨烯之父”安德烈·海姆(AndreGeim)發(fā)現的超薄硒化銦(InSe)則具有相當大的帶隙，室溫下的電子遷移率達到 2,000 cm2/Vs，遠遠超過(guò)了硅，在更低溫度下，這項指標還會(huì )成倍増長(cháng)。德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的科研人員則發(fā)現了一種柔性的無(wú)機半導體材料SnIP，具有類(lèi)似于DNA分子的雙螺旋形，體現出了極強的柔韌性，可以反復折彎而不斷裂。這種材料能夠體現出類(lèi)似于砷化鎵(GaAs)的電子性能，而且熱穩定性更高、原料價(jià)格低廉、幾乎沒(méi)有毒性。
鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池材料穩定性獲突破
有機-無(wú)機雜化鈣鈦礦結構的太陽(yáng)能電池在2009年被首次報道，在2013年被Science被評為十大科技進(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%穩定提高到了22%以上，同傳統硅太陽(yáng)能電池串聯(lián)后甚至可以達到30%，并且仍有進(jìn)步空間。2016年，對一直困擾著(zhù)相關(guān)產(chǎn)品實(shí)用化的穩定性問(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-無(wú)機混合鈣鈦礦材料具有的高色純度、低非輻射復合率和可調帶隙等特點(diǎn)還使其還有望用于LED照明領(lǐng)域。
國內企業(yè)進(jìn)軍高等級碳纖維市場(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、體育休閑等領(lǐng)域。長(cháng)期以來(lái)，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)規模較小，同國外先進(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)應用等高端產(chǎn)品市場(chǎng)，進(jìn)口產(chǎn)品占有率甚至達到95%，且長(cháng)期處于被禁運的窘境。
目前，國內T300級和T700級碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量已達到國外同類(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)現低成本T700碳纖維量產(chǎn)后，又利用自產(chǎn)千噸線(xiàn)生產(chǎn)的原絲，再次突破低成本T800級碳纖維生產(chǎn)技術(shù),產(chǎn)品的拉伸強度、拉伸模量等各項指標均達到日本T800級碳纖維技術(shù)水平。中復神鷹碳纖維公司的千噸級T800原絲生產(chǎn)線(xiàn)也投入生產(chǎn)。這些成果打破了國外禁運的限制，加速了國產(chǎn)碳纖維的進(jìn)口替代步伐。
石墨烯產(chǎn)品的應用場(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，大量的潛在應用不斷出現。除了傳統的電池電極改性、柔性觸控屏外，石墨烯的新應用方向還在不斷出現，潛在市場(chǎng)空間不斷拓寬：利用其超高強度，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)分別在英國問(wèn)世;應用了石墨烯的超薄、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;一種新型揚聲器摒棄了傳統的電磁激勵振動(dòng)的原理，利用超多孔石墨烯基結構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)域得到應用。
智能纖維帶動(dòng)傳統行業(yè)轉型
在我國，紡織行業(yè)一向被視為典型的傳統產(chǎn)業(yè)，早年更一度是壓縮落后產(chǎn)能的標桿性行業(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)境或內部狀態(tài)所發(fā)生的變化，并能做出響應的纖維。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)現對溫度的調節;記憶纖維能夠在特定環(huán)境下恢復原始形狀;凝膠纖維能夠對溫度、pH值、光照、壓力等條件做出體積或形態(tài)方面的響應;電子纖維能夠導電以及消除靜電等。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)現功能化、信息化，例如能夠將人體運動(dòng)能量轉化為電能并給手機充電的褲子、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)展機遇。
拓撲超導材料奠定量子計算基礎
超導材料的研究已經(jīng)持續了數十年，期間經(jīng)歷過(guò)多次高潮和沉寂。拓撲超導在2006年被發(fā)現以來(lái)，迅速成為凝聚態(tài)物理界新的研究熱點(diǎn)。近日，我國科學(xué)家又首次發(fā)現了鐵基高溫超導材料中的一種新型一維拓撲邊界態(tài)。拓撲超導體體內是有能隙的超導體，表面能夠產(chǎn)生一種被稱(chēng)為Majorana費米子的無(wú)能隙態(tài)。據理論預測，Majorana費米子可以用于量子計算，因此對拓撲超導材料的研究將直接關(guān)系到未來(lái)計算機的發(fā)展。
氣凝膠逐步走向應用
氣凝膠是密度最低的固體材料，曾長(cháng)期出現在各類(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)出現十多年，但價(jià)格始終居高不下，因此主要應用于航天、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(zhù)技術(shù)進(jìn)步，氣凝膠產(chǎn)品的性?xún)r(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)的復合增長(cháng)率已經(jīng)達到了36.4%。業(yè)內預計在未來(lái)十年左右我國將迎來(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 )因此形成數百億元規模的潛在國內市場(chǎng)。此外氣凝膠在吸附催化、吸音隔音、絕緣、儲能、海水淡化、藥物緩釋、體育器材等消費品領(lǐng)域的應用也值得期待。
金屬氫后續發(fā)展值得關(guān)注
近日，美國科學(xué)家成功將氫氣壓縮制成固態(tài)、可導電的“金屬氫”，率先達成了全球多個(gè)團隊多年以來(lái)的研究目標，摘得了這一高壓物理學(xué)的“圣杯”。此前，金屬氫被認為在木星等大天體的內核中存在，地球內是不存在的。金屬氫的能量密度高達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現象。實(shí)驗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泛的爭議，但金屬氫的研究本身仍然是值得長(cháng)期關(guān)注的。
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