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2019年世界前沿科技發(fā)展態(tài)勢及2020年趨勢展望——新材料篇

2020-02-03 14:53:37 作者：宮學(xué)源來源：全球技術(shù)地圖分享至：

世界新材料領(lǐng)域2019年發(fā)展態(tài)勢

美日韓積極布局新材料研發(fā)，爭奪未來競爭優(yōu)勢。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院為小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計(jì)劃提供400萬美元資助，推動(dòng)石墨烯器件、增材制造工藝、納米粒子處理和生物材料制備等新材料技術(shù)加速突破。日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)（JST）研發(fā)策略中心（CRDS）提出“下一代生物材料工程”戰(zhàn)略建議，旨在創(chuàng)造適應(yīng)生物學(xué)環(huán)境并與生物體實(shí)現(xiàn)交互作用的生物自適應(yīng)材料。韓國科學(xué)技術(shù)信息通信部宣布“2019年納米材料領(lǐng)域技術(shù)開發(fā)的實(shí)施計(jì)劃”，旨在系統(tǒng)性支持具有人腦計(jì)算能力的未來半導(dǎo)體新器件核心技術(shù)開發(fā)，研究具有新特性與新功能的未來材料。

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信息材料技術(shù)向高性能、低功耗方向發(fā)展。美國斯坦福大學(xué)研究人員將聚合物基氧化還原晶體管與導(dǎo)電橋存儲(chǔ)器（CBM）進(jìn)行集成，研制出名為“離子浮柵內(nèi)存”（IFG）的非易失性、可尋址的突觸存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器能效比現(xiàn)有計(jì)算技術(shù)的能效高一個(gè)數(shù)量級，能夠支持超過1兆赫的讀寫頻率。英國卡迪夫大學(xué)科學(xué)家采用分子束外延（MBE）方法，成功開發(fā)出一種由化合物半導(dǎo)體組成的雪崩光電二極管（APD），新型APD具有靈敏度超高、數(shù)據(jù)傳輸速度快等特點(diǎn)，未來有望大規(guī)模應(yīng)用于激光雷達(dá)、3D激光測繪、自動(dòng)駕駛和地震預(yù)測等領(lǐng)域。

新能源材料技術(shù)不斷突破，加速推動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革。日本東北大學(xué)和高能加速器研究組織的科學(xué)家通過設(shè)計(jì)氫簇（復(fù)合陰離子）結(jié)構(gòu)，開發(fā)出一種對鋰金屬具有極高穩(wěn)定性的新型復(fù)合氫化鋰超離子導(dǎo)體，有望使鋰金屬成為全固態(tài)電池陽極材料，催生出迄今能量密度最高的全固態(tài)電池。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究人員通過設(shè)計(jì)包含鋰微粒的雙導(dǎo)電聚合物/碳復(fù)合基質(zhì)，開發(fā)出一種更高容量、更安全的新型半液態(tài)鋰金屬陽極，新型半液態(tài)陽極與石榴石基固體陶瓷電解質(zhì)相結(jié)合，有望使能量密度較傳統(tǒng)固體電解質(zhì)-鋰箔電池高10倍。

生物技術(shù)與新材料技術(shù)深度融合，助力可持續(xù)發(fā)展。芬蘭阿爾托大學(xué)和國立技術(shù)研究中心的科學(xué)家合作，利用木纖維和蜘蛛絲制備出能夠完全生物降解的新型復(fù)合材料，有望在未來作為石化塑料的替代品應(yīng)用。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)科學(xué)家利用大腸桿菌批量生產(chǎn)具有自愈合、導(dǎo)熱和導(dǎo)電等特性的烏賊環(huán)齒（SRT）蛋白，SRT蛋白可用于制造堅(jiān)韌、柔軟和可生物降解的塑料，以及開發(fā)生物傳感器或可穿戴設(shè)備。美國羅切斯特大學(xué)研究人員將尿素、鈣源與細(xì)菌混合，成功在一天的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出僅有5微米厚度的人工珍珠母涂層，未來可用于開發(fā)人造骨和其他植入物。

世界新材料領(lǐng)域2020年趨勢展望

美日歐加速推動(dòng)信息技術(shù)與新材料技術(shù)融合。眾多研究成果表明，機(jī)器學(xué)習(xí)、量子計(jì)算等先進(jìn)信息技術(shù)能夠帶來科研范式的巨大變革，使新材料研發(fā)速度提升百倍、千倍。近年來，美國、日本、英國和德國等國家紛紛資助研究項(xiàng)目，推動(dòng)先進(jìn)信息技術(shù)在材料研究中的應(yīng)用，以加速新材料研發(fā)過程，旨在爭奪未來科技競爭制高點(diǎn)。2020年，美國能源部將通過資助研究項(xiàng)目，推動(dòng)量子信息、機(jī)器學(xué)習(xí)在材料和化學(xué)研發(fā)中的應(yīng)用，德國聯(lián)邦教育與研究部將聯(lián)合弗朗霍夫研究所、萊布尼茨研究所和馬克斯普朗克研究所等研究機(jī)構(gòu)推進(jìn)材料數(shù)字平臺（MaterialDigital）建設(shè)。

輕量化、智能化成為新材料技術(shù)發(fā)展潮流。隨著全球可持續(xù)發(fā)展理念進(jìn)一步深化，世界各國對碳排放進(jìn)一步收緊，輕量化已成為新材料技術(shù)發(fā)展的最大趨勢之一。2020年，輕質(zhì)高強(qiáng)的鎂合金、碳纖維、水凝膠以及超材料等技術(shù)將加速突破，引領(lǐng)汽車、消費(fèi)電子和航空航天等產(chǎn)業(yè)深度變革。例如，2020年美國4M碳纖維公司將與西班牙Montefibre公司合作生產(chǎn)低成本工業(yè)級碳纖維。同時(shí)，隨著萬物互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等概念的加速落地，新材料技術(shù)正加速向智能化方向發(fā)展。2020年，自修復(fù)材料、自適應(yīng)材料、新型傳感材料、4D打印材料等智能材料技術(shù)將大量涌現(xiàn)，為生物醫(yī)療、國防軍事以及航空航天等領(lǐng)域發(fā)展提供支撐。例如，2020年美國國防部計(jì)劃將一種可“瞬間自毀”的智能聚合物材料應(yīng)用于軍事任務(wù)中。

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