2019年世界前沿科技发展态势及2020年趋势展望——新材料篇
2020-02-03 14:53:37
作者：宫学源 来源：全球技术地图
世界新材料领域2019年发展态势
美日韩积极布局新材料研发，争夺未来竞争优势。美国国家标准技术研究院为小企业创新研究（SBIR）计划提供400万美元资助，推动石墨烯器件、增材制造工艺、纳米粒子处理和生物材料制备等新材料技术加速突破。日本科学技术振兴机构（JST）研发策略中心（CRDS）提出“下一代生物材料工程”战略建议，旨在创造适应生物学环境并与生物体实现交互作用的生物自适应材料。韩国科学技术信息通信部宣布“2019年纳米材料领域技术开发的实施计划”，旨在系统性支持具有人脑计算能力的未来半导体新器件核心技术开发，研究具有新特性与新功能的未来材料。
信息材料技术向高性能、低功耗方向发展。美国斯坦福大学研究人员将聚合物基氧化还原晶体管与导电桥存储器（CBM）进行集成，研制出名为“离子浮栅内存”（IFG）的非易失性、可寻址的突触存储器，该存储器能效比现有计算技术的能效高一个数量级，能够支持超过1兆赫的读写频率。英国卡迪夫大学科学家采用分子束外延（MBE）方法，成功开发出一种由化合物半导体组成的雪崩光电二极管（APD），新型APD具有灵敏度超高、数据传输速度快等特点，未来有望大规模应用于激光雷达、3D激光测绘、自动驾驶和地震预测等领域。
新能源材料技术不断突破，加速推动产业变革。日本东北大学和高能加速器研究组织的科学家通过设计氢簇（复合阴离子）结构，开发出一种对锂金属具有极高稳定性的新型复合氢化锂超离子导体，有望使锂金属成为全固态电池阳极材料，催生出迄今能量密度最高的全固态电池。美国卡内基梅隆大学研究人员通过设计包含锂微粒的双导电聚合物/碳复合基质，开发出一种更高容量、更安全的新型半液态锂金属阳极，新型半液态阳极与石榴石基固体陶瓷电解质相结合，有望使能量密度较传统固体电解质-锂箔电池高10倍。
生物技术与新材料技术深度融合，助力可持续发展。芬兰阿尔托大学和国立技术研究中心的科学家合作，利用木纤维和蜘蛛丝制备出能够完全生物降解的新型复合材料，有望在未来作为石化塑料的替代品应用。美国宾夕法尼亚州立大学科学家利用大肠杆菌批量生产具有自愈合、导热和导电等特性的乌贼环齿（SRT）蛋白，SRT蛋白可用于制造坚韧、柔软和可生物降解的塑料，以及开发生物传感器或可穿戴设备。美国罗切斯特大学研究人员将尿素、钙源与细菌混合，成功在一天的时间内开发出仅有5微米厚度的人工珍珠母涂层，未来可用于开发人造骨和其他植入物。
世界新材料领域2020年趋势展望
美日欧加速推动信息技术与新材料技术融合。众多研究成果表明，机器学习、量子计算等先进信息技术能够带来科研范式的巨大变革，使新材料研发速度提升百倍、千倍。近年来，美国、日本、英国和德国等国家纷纷资助研究项目，推动先进信息技术在材料研究中的应用，以加速新材料研发过程，旨在争夺未来科技竞争制高点。2020年，美国能源部将通过资助研究项目，推动量子信息、机器学习在材料和化学研发中的应用，德国联邦教育与研究部将联合弗朗霍夫研究所、莱布尼茨研究所和马克斯普朗克研究所等研究机构推进材料数字平台（MaterialDigital）建设。
轻量化、智能化成为新材料技术发展潮流。随着全球可持续发展理念进一步深化，世界各国对碳排放进一步收紧，轻量化已成为新材料技术发展的最大趋势之一。2020年，轻质高强的镁合金、碳纤维、水凝胶以及超材料等技术将加速突破，引领汽车、消费电子和航空航天等产业深度变革。例如，2020年美国4M碳纤维公司将与西班牙Montefibre公司合作生产低成本工业级碳纤维。同时，随着万物互联、物联网、工业互联网等概念的加速落地，新材料技术正加速向智能化方向发展。2020年，自修复材料、自适应材料、新型传感材料、4D打印材料等智能材料技术将大量涌现，为生物医疗、国防军事以及航空航天等领域发展提供支撑。例如，2020年美国国防部计划将一种可“瞬间自毁”的智能聚合物材料应用于军事任务中。
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