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2019年世界前沿科技發展態勢及2020年趨勢展望——新材料篇

2020-02-03 14:53:37 作者：宮學源來源：全球技術地圖分享至：

世界新材料領域2019年發展態勢

美日韓積極布局新材料研發，爭奪未來競爭優勢。美國國家標準技術研究院為小企業創新研究（SBIR）計劃提供400萬美元資助，推動石墨烯器件、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加速突破。日本科學技術振興機構（JST）研發策略中心（CRDS）提出“下一代生物材料工程”戰略建議，旨在創造適應生物學環境并與生物體實現交互作用的生物自適應材料。韓國科學技術信息通信部宣布“2019年納米材料領域技術開發的實施計劃”，旨在系統性支持具有人腦計算能力的未來半導體新器件核心技術開發，研究具有新特性與新功能的未來材料。

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信息材料技術向高性能、低功耗方向發展。美國斯坦福大學研究人員將聚合物基氧化還原晶體管與導電橋存儲器（CBM）進行集成，研制出名為“離子浮柵內存”（IFG）的非易失性、可尋址的突觸存儲器，該存儲器能效比現有計算技術的能效高一個數量級，能夠支持超過1兆赫的讀寫頻率。英國卡迪夫大學科學家采用分子束外延（MBE）方法，成功開發出一種由化合物半導體組成的雪崩光電二極管（APD），新型APD具有靈敏度超高、數據傳輸速度快等特點，未來有望大規模應用于激光雷達、3D激光測繪、自動駕駛和地震預測等領域。

新能源材料技術不斷突破，加速推動產業變革。日本東北大學和高能加速器研究組織的科學家通過設計氫簇（復合陰離子）結構，開發出一種對鋰金屬具有極高穩定性的新型復合氫化鋰超離子導體，有望使鋰金屬成為全固態電池陽極材料，催生出迄今能量密度最高的全固態電池。美國卡內基梅隆大學研究人員通過設計包含鋰微粒的雙導電聚合物/碳復合基質，開發出一種更高容量、更安全的新型半液態鋰金屬陽極，新型半液態陽極與石榴石基固體陶瓷電解質相結合，有望使能量密度較傳統固體電解質-鋰箔電池高10倍。

生物技術與新材料技術深度融合，助力可持續發展。芬蘭阿爾托大學和國立技術研究中心的科學家合作，利用木纖維和蜘蛛絲制備出能夠完全生物降解的新型復合材料，有望在未來作為石化塑料的替代品應用。美國賓夕法尼亞州立大學科學家利用大腸桿菌批量生產具有自愈合、導熱和導電等特性的烏賊環齒（SRT）蛋白，SRT蛋白可用于制造堅韌、柔軟和可生物降解的塑料，以及開發生物傳感器或可穿戴設備。美國羅切斯特大學研究人員將尿素、鈣源與細菌混合，成功在一天的時間內開發出僅有5微米厚度的人工珍珠母涂層，未來可用于開發人造骨和其他植入物。

世界新材料領域2020年趨勢展望

美日歐加速推動信息技術與新材料技術融合。眾多研究成果表明，機器學習、量子計算等先進信息技術能夠帶來科研范式的巨大變革，使新材料研發速度提升百倍、千倍。近年來，美國、日本、英國和德國等國家紛紛資助研究項目，推動先進信息技術在材料研究中的應用，以加速新材料研發過程，旨在爭奪未來科技競爭制高點。2020年，美國能源部將通過資助研究項目，推動量子信息、機器學習在材料和化學研發中的應用，德國聯邦教育與研究部將聯合弗朗霍夫研究所、萊布尼茨研究所和馬克斯普朗克研究所等研究機構推進材料數字平臺（MaterialDigital）建設。

輕量化、智能化成為新材料技術發展潮流。隨著全球可持續發展理念進一步深化，世界各國對碳排放進一步收緊，輕量化已成為新材料技術發展的最大趨勢之一。2020年，輕質高強的鎂合金、碳纖維、水凝膠以及超材料等技術將加速突破，引領汽車、消費電子和航空航天等產業深度變革。例如，2020年美國4M碳纖維公司將與西班牙Montefibre公司合作生產低成本工業級碳纖維。同時，隨著萬物互聯、物聯網、工業互聯網等概念的加速落地，新材料技術正加速向智能化方向發展。2020年，自修復材料、自適應材料、新型傳感材料、4D打印材料等智能材料技術將大量涌現，為生物醫療、國防軍事以及航空航天等領域發展提供支撐。例如，2020年美國國防部計劃將一種可“瞬間自毀”的智能聚合物材料應用于軍事任務中。

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