（本文原載《海盛之窗》2022年第二期，作者： 合金工廠 張敬利 ）

新材料產(chǎn)業(yè)是未來高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石和先導(dǎo)。先進(jìn)信息、智能制造、醫(yī)療健康、新能源及航空航天等前沿技術(shù)的發(fā)展，都離不開新材料技術(shù)的不斷突破。新材料產(chǎn)業(yè)更是高技術(shù)競爭的關(guān)健領(lǐng)域，2018年爆發(fā)的中美貿(mào)易摩擦、2019年爆發(fā)的日韓貿(mào)易摩擦，均涉及關(guān)鍵原材料和納米加工等“卡脖子”技術(shù)。

新材料技術(shù)的發(fā)展，對推動我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、保障國家安全具有十分重要的意義。2019年以來，世界科技強(qiáng)國持續(xù)高度重視新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并將新材料技術(shù)研發(fā)作為推動先進(jìn)信息、新能源、醫(yī)療健康等顛覆性技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。在人工智能、材料基因組等技術(shù)的驅(qū)動下，新材料研發(fā)和創(chuàng)新正在加速，變得更加高效。先進(jìn)信息材料、新能源材料、生物材料和節(jié)能環(huán)保材料等前沿新材料相關(guān)研究不斷取得進(jìn)展，全面推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)加速變革。作者利用網(wǎng)絡(luò)信息，以及通過國務(wù)院發(fā)展研究中心出版《2020年世界前沿技術(shù)發(fā)展報(bào)告》，整理出未來世界新材料技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要動向，簡單介紹世界各國，特別是先進(jìn)國家的新材料、新技術(shù)突破點(diǎn)以及這些新材料、新技術(shù)給予我們的未來生活、科技等啟示。

一、世界新材料枝術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展重要動向

當(dāng)前，隨著全球“互聯(lián)網(wǎng)+”“人工智能+”，以及氫能經(jīng)濟(jì)和低碳經(jīng)濟(jì)等模式推陳出新，新材料與信息、能源、生物和環(huán)保等高技術(shù)領(lǐng)城加速融合，促進(jìn)新經(jīng)濟(jì)增長。其中，石墨烯村料、智能仿生材料、高性能復(fù)合材料等前沿新材料領(lǐng)城發(fā)展zui為迅猛，持續(xù)為產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供新的路徑。近年來。

隨著中國產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級步伐加快，新材料市場需求保持快速增長態(tài)勢。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院估計(jì)，中圖新材料市場規(guī)模2019年達(dá)到45萬億元人民幣，到2021年規(guī)模將達(dá)到7萬億元人民幣，預(yù)計(jì)到2022年規(guī)模預(yù)計(jì)超過8萬億人民幣：2011一2022年的年復(fù)合增長率將達(dá)到15%（見圖1-1)。

圖1---1   2011一2021年中國新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模（單位：萬億元人民幣）

近5年，全球范圍內(nèi)的科技競爭越發(fā)激烈。新材料產(chǎn)業(yè)作為先進(jìn)信息、新能源和醫(yī)療健康等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，越發(fā)得到世界科技強(qiáng)國的高度重視。在科技政策支持和市場強(qiáng)勁需求的驅(qū)動下，新材料技術(shù)不斷取得新突破，新材料產(chǎn)業(yè)加速向新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域推進(jìn)。

2019年以來，新材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈如下態(tài)勢：（一）是新材料的戰(zhàn)略性地位更加顯著，相關(guān)科技政策持續(xù)加碼；（二）是新材料在高技術(shù)領(lǐng)域的支撐性、引領(lǐng)性作用顯著增強(qiáng)；（三）是先進(jìn)信息材料不斷涌現(xiàn)，高性能、低能耗成為發(fā)展潮流：（四）是新能源材料技術(shù)發(fā)展迅猛，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)加速變革，（五）是新材料研發(fā)正在加速，機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等為新材料研發(fā)帶來范式革命。

二：各類新材料研發(fā)投入及進(jìn)展情況介紹

近幾年，世界各國積極推進(jìn)人工智能、量子信息、生物醫(yī)藥、節(jié)能環(huán)保和新能源等前沿技術(shù)研究，旨在加快科技創(chuàng)新步伐，以解決日益嚴(yán)峻的人口老齡化、環(huán)境惡化、經(jīng)濟(jì)增長緩慢等問題。作為發(fā)展各類前沿技術(shù)的前提和基礎(chǔ)，新材料技術(shù)正越來越受到世界各國的廣泛重視，新材料在國家科技競爭中的戰(zhàn)略性地位進(jìn)一步凸顯，2019年，美、日、韓等科技強(qiáng)國出臺的科技戰(zhàn)略或規(guī)劃，繼續(xù)將新材料作為研發(fā)優(yōu)先事項(xiàng)之一，以支撐新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1.美國積投布局前沿新材料研發(fā)，重點(diǎn)支持小企業(yè)科技創(chuàng)新，

2019年2月，美國國家科學(xué)院(Nationa Academy of Sciences，NAS)發(fā)布了針對料研究的第3次十年調(diào)查《材料研究前沿：十年調(diào)查》報(bào)告。這次的調(diào)查主要評估過去10年中材料研究領(lǐng)域的進(jìn)展和成就，確定了2020-2030年材料研究發(fā)展面臨的機(jī)遇、挑戰(zhàn)和新方向，并提出了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的建議。該報(bào)告指出，發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家在智能制造和材料科學(xué)等領(lǐng)域的競爭將在未來10年內(nèi)加劇。

隨著數(shù)字和信息時(shí)代的發(fā)展，美國面臨更加嚴(yán)峻的全球挑戰(zhàn)，材料研究對美國的新興技術(shù)、國家需求和科學(xué)進(jìn)步的影響將更加重要。

2019年9月，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院為小企業(yè)創(chuàng)新研究(Small Business Innovative Research，SBIR)計(jì)劃提供4O0萬美元資助，涉及石墨烯器件、增材制造、納米粒子處理與表征、生物材料等領(lǐng)域。其中，Graphene Waves公司獲得10萬美元，將開發(fā)基于外延石墨烯的新量子霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)；Intact Solutions公司獲得10萬美元，將進(jìn)行增材制造工藝的直接性能評估；Parman Tech公司獲得l0萬美元，將開發(fā)納米粒子激光分選技術(shù)；Xallent公司獲得10萬美元，將開發(fā)利用射頻識別缺陷并測量薄膜材料厚度的納米機(jī)器；Applied NanoFluorescence公司獲得40萬美元將開發(fā)用于納米粒子表征的多模式光譜儀：Nikira Labs公司獲得30萬美元，將開發(fā)用于活組織研究的緊湊型拉曼光纖探頭。

2.先進(jìn)信息材料不斷涌現(xiàn)，高性能、低能耗成為發(fā)展潮流

進(jìn)入21世紀(jì)，信息產(chǎn)業(yè)已成為世界科技強(qiáng)國zui重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，其發(fā)展水平對一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)增長、軍事安全與信息安全等具有決定性意義，其重要性不言而喻。隨著5G、云計(jì)算、人工智能、量子信息、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)快速發(fā)展，各類新興產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)，人類社會正迎來新一輪偉大變革。在此背景下，信息材料和相關(guān)器件的發(fā)展進(jìn)入快車道。2019年，美國、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)加快推進(jìn)新型信息材料的研究與應(yīng)用，低維材料、量子材料和智能材料等不斷顛覆器件的形態(tài)，持續(xù)推動信息技術(shù)向高性能、低能耗方向發(fā)展。

2.1：信息材料研發(fā)為人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)突破提供可能

2019年5月，美國斯坦福大學(xué)的科研人員將聚合物基氧化還原晶體管與導(dǎo)電長車緒器((Conductivridge Memor，CBMD進(jìn)行突成，研制出名為：高子浮理內(nèi)存”(lon Floating Gate memory，IFG)的非易失性、可尋址的突觸存儲器。該突觸存儲器的工作原理與電池類似，它通過調(diào)高或調(diào)低兩個(gè)端子間的電力流動來模擬人腦神經(jīng)元的學(xué)習(xí)過程，并允許并行編程。通過稀釋絕緣通道中的導(dǎo)電聚合物，研究人員可以將突出權(quán)重的讀取電流降到10納安以下。研究人員構(gòu)造出一個(gè)3×3的人工突觸陣列并進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，其性能超出預(yù)期，能效比現(xiàn)有計(jì)算技術(shù)高一個(gè)數(shù)量級，能夠支特超過1兆赫的讀寫頻率：

2.2：自旋電子器件取得新進(jìn)展，有望帶來計(jì)算效率的極大提升

2019年3月，英國劍橋大學(xué)卡文油許實(shí)驗(yàn)室與德。捷克等國研究機(jī)構(gòu)組成的國際團(tuán)隊(duì)在有機(jī)半導(dǎo)體領(lǐng)域取得新進(jìn)展，為生產(chǎn)速度更快、能效更高的計(jì)算機(jī)帶來了希望，有機(jī)半導(dǎo)體的自旋電子器件具有能耗低的優(yōu)勢，但其電子自旋傳遞距離短，限制了其商業(yè)化應(yīng)用。國際團(tuán)隊(duì)人為地增加了有機(jī)材料中電子的數(shù)量，并使用自旋泵技術(shù)向材料注入純自旋電流，成功將電子自旋傳遞距離增加至1微米。該技術(shù)可用于開發(fā)新一代計(jì)算機(jī)。

2019年5月，美國紐約大學(xué)(New York University)的研究人員開發(fā)出一種由電壓控制的拓?fù)渥孕_關(guān)(Voltage--controled Topological Spin Switch，VTOPSS)，VTOPSS只需電場而無須電流，就可以在兩種布爾邏輯狀態(tài)之間切換。該技術(shù)與現(xiàn)有的電子自旋技術(shù)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)相比更具競爭力，能夠很大程度地降低邏輯器件的能耗和熱量。測試結(jié)果表明，與全自旋邏輯器件和電荷自旋邏輯器件相比，VTOPSS的能耗降低了10~70倍。研究人員表示，VTOPSS這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的處理速度比硅晶體管稍慢，但它集成了邏輯與非易失性內(nèi)存，增加了功能和電路設(shè)計(jì)的可能性。

2.3：新型半導(dǎo)體材料加速研發(fā)，應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)展

2019年2月，美國華盛頓大學(xué)、美國田納西大學(xué)(The University of Tennessee)、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和香港大學(xué)的科學(xué)家合作，通過將兩種單層二維半導(dǎo)體材料----二硒化鉬和二硒化鎢堆疊在一起并進(jìn)行扭曲，開發(fā)出可精確捕捉并操控?cái)?shù)百激子的人工量子平臺。通過改變兩種二維材料的角度，科學(xué)家還可對捕獲的激子進(jìn)行精確控制。該研究成果為開發(fā)能精確監(jiān)測激子的新型實(shí)驗(yàn)平臺奠定了基礎(chǔ)，有望推動新量子技術(shù)的研發(fā)。

2019年7月，英國卡迪夫大學(xué)(Cardiff  University)的科學(xué)家采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)方法，成功開發(fā)出一種由化合物半導(dǎo)體組成的新型雪崩光電二極管(Avalanche  Photo  Diode，APD)。新型APD具有靈敏度超高、數(shù)據(jù)傳輸速度快等特點(diǎn)，可用于高速數(shù)據(jù)通信和自動駕駛車輛的光檢測和測距(Light Detcction And Ranging，LIDAR)系統(tǒng)?？茖W(xué)家表示，新型APD可在弱信號環(huán)境和低溫環(huán)境中運(yùn)行，并且能夠與大多數(shù)通信供應(yīng)商的光電平臺兼容，未來有望大規(guī)模應(yīng)用于激光雷達(dá)、3D激光測繪、自動駕駛和地震預(yù)測等領(lǐng)域。

3 . 日、韓持續(xù)關(guān)注新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，致力于打造科技創(chuàng)新優(yōu)勢。

2019年4月，日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(Japan Science and Technology Agency， JST)下屬研發(fā)被略中心(CRDS》提出“下一代生物材料工程”戰(zhàn)略建議。旨在創(chuàng)造能適應(yīng)多種生物學(xué)環(huán)境、有效控制材料和生物體之間交互作用的生物自適應(yīng)材料。

在戰(zhàn)略建議中，CRDS分析了研發(fā)面臨的桃戰(zhàn)，并提出了應(yīng)對措施：一是要認(rèn)識材料和生物體交互作用產(chǎn)生的生物學(xué)現(xiàn)象：二是要開發(fā)能夠應(yīng)用于不同生物學(xué)環(huán)境的定量評價(jià)測量新技術(shù)和新儀器：三是設(shè)計(jì)和創(chuàng)造生物自適應(yīng)材料；四是建立生物材料進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用所需的評價(jià)平臺。

2019年8月，韓國科學(xué)技術(shù)評價(jià)院(Korea Institute of S&T Evaluation and Planning，KISTEP)發(fā)布《2019年十大材料領(lǐng)域新興技術(shù)》報(bào)告，該報(bào)告以可行性、市場潛力及技術(shù)創(chuàng)新為指標(biāo)，從環(huán)境、生物、能源、電子等具體應(yīng)用領(lǐng)域選出了十大新興村料技術(shù)。分別為可生物分解薄膜、可代替感官裝置的材料、3D打印人工器官、高效耐大固態(tài)電解質(zhì)、交通行業(yè)快速充電電池、超輕量運(yùn)輸裝置、適應(yīng)極端環(huán)境的核融合村料、可彎曲顯示器、自動控制生命周期的化學(xué)材料、結(jié)合可穿戴裝置的擴(kuò)織品。該報(bào)告重點(diǎn)分析了上述新興材料技術(shù)的社會經(jīng)濟(jì)意義、實(shí)現(xiàn)障礙和創(chuàng)新解決方案。

三：對中國的影響與啟示

全球新材料發(fā)展動向表明，2019年全球新材料開啟了從基礎(chǔ)支撐到前沿顛覆的跨越式發(fā)展，呈現(xiàn)出新時(shí)代發(fā)展特征，一些對未來具有顛覆意義的前沿新材料，如石墨烯、量子點(diǎn)、超材料、仿生智能材料、超導(dǎo)材料、柔性材料、光催化材料正加速發(fā)展，具有特殊優(yōu)異性能的新材料品種不斷得到開發(fā)和應(yīng)用，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也在加速。美國、日本、韓國等科技強(qiáng)國為搶占新一輪工業(yè)革命制高點(diǎn)，紛紛制定了相應(yīng)的發(fā)展計(jì)劃和預(yù)期目標(biāo)，并實(shí)施相應(yīng)策略，推進(jìn)前沿新材料跨越式發(fā)展。

以高純硅材料和芯片技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代信息產(chǎn)業(yè)數(shù)十年來一直發(fā)展迅速，特別是近年來順覆性的前沿新材料技術(shù)取得突破性進(jìn)展，如芯片制造已發(fā)展到7納米水平，極大推進(jìn)了信息技術(shù)的跨越式發(fā)展。2019年，信息技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志性成就主要表現(xiàn)在5G技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展。5G技術(shù)可大幅提高網(wǎng)速，深刻地影響能源、醫(yī)療、汽車、制造等現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)，如自動駕駛、無人機(jī)物流、智能電網(wǎng)、智能工廠、虛擬現(xiàn)實(shí)等都能通過應(yīng)用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)革命性的發(fā)展。區(qū)塊鏈技術(shù)是以現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)存儲和加密算法等功能的新型計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，可能引發(fā)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展顛覆性的變革。

美、日等科技強(qiáng)國正加緊新型信息材料的研究與應(yīng)用，典型的新型信息材料包括量子材料、二維材料及超材料等，這些材料的應(yīng)用將顛覆未來的信息技術(shù)和器件形態(tài)，如量子計(jì)算機(jī)、微納型芯片、超級存儲器、新型圖像傳感器等都將受到新型信息材料的影響。中國信息材料的發(fā)展與全球同步，主要以芯片技術(shù)突破為方向，并取得了大量高水平的研究成果。今后，中國應(yīng)提高自主創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)水平，突破高端芯片制造技術(shù)瓶頸，同時(shí)也應(yīng)加速新型信息材料的研制，推動先進(jìn)信息技術(shù)的跨越發(fā)展。

中國前沿新材料的發(fā)展基本與世界同步，特別是近年來，中國在研發(fā)投入、人力和資源配置、創(chuàng)新和體制改革等方面不斷加大力度。但是，同先進(jìn)國家相比，中國前沿新材料在自主創(chuàng)新、新型產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用、研究范式變革和高端產(chǎn)業(yè)化等方面還有一定差距。對此，中國對全球新材料的發(fā)展態(tài)勢應(yīng)有更充分的認(rèn)識和把握，可重點(diǎn)在以下幾方面實(shí)現(xiàn)標(biāo)志性的突破。

一是加強(qiáng)材料科技前沿性基礎(chǔ)研究，突出前沿性、顛覆性，加強(qiáng)高起點(diǎn)、高水平的前沿性基礎(chǔ)理論研究。中國應(yīng)選擇材料分子和原子層面上的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作為切入點(diǎn)，從宏觀、介觀、微觀3個(gè)層面入手，從軟件和硬件兩個(gè)方面保證新材料研發(fā)和應(yīng)用的高效運(yùn)作、通過研究材料成分、組織結(jié)構(gòu)、制造工藝、材料性能與材料應(yīng)用之間的相互關(guān)系，開發(fā)出各種各樣的高性能、多功能的新型材料。如超材料就是種通過對原子層面上的幾何結(jié)構(gòu)及大小進(jìn)行設(shè)計(jì)和組合，從而得到的一種呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性能的人工制備復(fù)合材料。國家在前沿基礎(chǔ)研究方面發(fā)揮引領(lǐng)、支持和協(xié)調(diào)的重要作用，應(yīng)確定部門職責(zé)、推進(jìn)跨部門、跨額城全面合作，保證研究規(guī)范、有序、高效運(yùn)作，取得高質(zhì)量、高水平，時(shí)效性強(qiáng)的研究成果。

二是加強(qiáng)創(chuàng)新體系建設(shè)。中國應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化前沿新材料的研發(fā)機(jī)制和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展環(huán)境，充分做好新材料研發(fā)的頂層設(shè)計(jì)，培養(yǎng)和打造一批具有國際先進(jìn)水平研究機(jī)構(gòu)和高新企業(yè)，組合人才、資源、研發(fā)基礎(chǔ)等優(yōu)勢，努力實(shí)現(xiàn)一批前沿性新興術(shù)的突破：完善產(chǎn)學(xué)研機(jī)制，通過政策傾斜和資金支持，加速新材料研究成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化：加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)和高尖精人才培養(yǎng)，建立和完善創(chuàng)新驅(qū)動礎(chǔ)設(shè)施，如開放式的研究機(jī)構(gòu)合作平臺、研發(fā)數(shù)據(jù)共享平臺、研究人員交流互動平臺等。

三是提高自主創(chuàng)新能力，推進(jìn)研究范式變革，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用。推動了新材料研究范式發(fā)生革命性的變化，2019年，新材料研究的“第四范式”發(fā)展迅速----“新材料研究的“第四范式”是目前全球材料研究方法革命性變革的體現(xiàn)，是種很有發(fā)展前景的新范式，中國在該領(lǐng)域已經(jīng)形成了很好的發(fā)展基礎(chǔ)，但在數(shù)字模擬方案的設(shè)計(jì)，可控編程及新開發(fā)品種的實(shí)際驗(yàn)證等方面還要繼續(xù)提升能力和水平。中國要進(jìn)一步做好新材料研究“第四范式”的推廣應(yīng)用，使之成為中國新材料研發(fā)zui重要的一種模式。