由于學科的跨度大、范疇廣、種類多，材料領域在過去一年里的創(chuàng)新呈現(xiàn)多點開花、熱點頻出的態(tài)勢。另一方面，對于某類特定材料的研究往往需要長期持續(xù)，難以在一兩年中連續(xù)出現(xiàn)突破性進展。
年十大關注點回顧
1、第三代半導體材料：應用瓶頸有待突破
第三代半導體材料是以寬禁帶為特點的一類半導體材料，包括碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁（AlN）等代表性材料。以典型的碳化硅為例，理論上這一材料用于電子、光電器件可以顯著提高高壓、高頻和高溫特性。
目前低功耗的碳化硅器件已經(jīng)有實用器件生產(chǎn)，但整體而言尚未打通大規(guī)模應用的瓶頸。晶片微管缺陷密度高、外延工藝效率低、配套材料高溫性能不足等工藝問題直接推高了器件成本。而表面挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態(tài)的長期穩(wěn)定性影響等問題甚至尚未在業(yè)界達成一致結論。這些都大大阻礙了碳化硅半導體器件的市場應用。
2、石墨烯：不斷開拓新的應用空間
石墨烯的奇特性能使其在很多領域都被寄予厚望。然而帶隙結構的缺乏導致石墨烯用于新一代集成電路的目標仍然漫漫無期；石墨烯柔性顯示遠不夠成熟；在電極中添加石墨烯的電池也尚未實現(xiàn)之前預想中的革命性改進。在這種“青黃不接”、缺乏真正成熟的大規(guī)模應用市場的情況下，各廠商都在嘗試進一步拓寬石墨烯的用途：石墨烯被首次用于自行車和汽車的結構件；新的紅外傳感器有望大大降低CMOS傳感器的造假；基于石墨烯基結構凝膠，一種具備全新發(fā)聲原理的新型揚聲器也已經(jīng)問世。這些新的產(chǎn)品有望為石墨烯探索出更多的發(fā)展思路。
3、柔性玻璃：被配套技術拖累
康寧公司早在2013年就發(fā)布了可以卷曲的柔性玻璃Willow，但直到目前仍未出現(xiàn)使用了這種玻璃的電子產(chǎn)品。而2016年康寧公司的主要競爭對手肖特公司也發(fā)布了自己的柔性玻璃SCHOTT AS 87 eco，據(jù)稱70微米厚的這種玻璃可以實現(xiàn)3毫米的彎曲曲率半徑。然而肖特的這款產(chǎn)品只用在了某品牌手機的指紋鍵部位，并沒有體現(xiàn)卷曲特性。究其根本，電子產(chǎn)品的柔性化并不僅僅靠玻璃就能實現(xiàn)。目前主流的“柔性”顯示方案尚停留在同OLED屏幕結合的硬質(zhì)曲面屏水平。在電子產(chǎn)品的電池、主板等各種器件真正實現(xiàn)柔性化實現(xiàn)之前，柔性玻璃可能會一直找不到用武之地。
4、有機-無機混合的鈣鈦礦構形太陽能電池材料：市場化進程獲得突破
有機-無機混合的鈣鈦礦構形太陽能電池材料在短短不到十年間就迅速將轉(zhuǎn)化效率提升到22%以上，已經(jīng)達到了目前廣泛應用的硅太陽能電池的水平，并且還有上升空間。其產(chǎn)品形態(tài)也有利于薄膜型太陽能電池的生產(chǎn)，因此近些年收到了廣泛關注。而長期以來阻礙其實用化的問題在于使用的耐久性和生產(chǎn)過程中的毒性等問題。2016年，鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性研究取得了重大突破，據(jù)稱在自然環(huán)境中的使用壽命可達25年。這一突破是鈣鈦礦太陽能電池市場化進程中邁進的一大步。
5、超材料：研究視野不再局限于光學超材料
超材料是具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結構或復合材料。去年進入榜單的光學超材料能夠展現(xiàn)出各種自然界中不存在的介電常數(shù)、磁導率、折射率等性能，因此具有廣泛的應用潛力，也是超材料領域主要的研究方向。2016年，光學超材料的研究仍在平穩(wěn)進行，同時還出現(xiàn)了一類新的、強調(diào)力學性能的超材料。這種材料可以根據(jù)受力情況轉(zhuǎn)換表面質(zhì)地的軟硬程度，能夠廣泛用于汽車、衛(wèi)星等用途。這為超材料的發(fā)展開創(chuàng)了一個新的方向。
6、氣凝膠：即將到來的市場拐點
近十年來，氣凝膠產(chǎn)品主要是作為隔熱材料小批量投入市場，一直存在價格昂貴等問題，市場份額僅占整個絕熱材料市場的幾個百分點，但是據(jù)Allied市場研究公司報導，目前氣凝膠市場的復合增長率已經(jīng)達到了36.4%，并且預計在“十三五”和“十四五”期間，我國將迎來工業(yè)和建筑保溫材料的全面替換，市場空間可達數(shù)百億人民幣。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、體育器材等領域的應用都具有廣闊空間值得挖掘。產(chǎn)業(yè)界開始有聲音認為氣凝膠快速發(fā)展的拐點已經(jīng)到來，一些技術領先的企業(yè)將迎來爆發(fā)式的發(fā)展。
7、二維半導體材料：新的研究方向
2016年初，我們的榜單中關注了一種新型半導體二維材料黑磷。在隨后的一年中，又有氧化錫（SnO）、硒化銦（InSe）等多種二維半導體材料被發(fā)現(xiàn)。這些材料均擁有二維構形，因此具有極高的電荷遷移率，同時還克服了石墨烯缺乏帶隙的不足，為新一代的集成電路提供了新的選擇。受石墨烯的啟發(fā)而發(fā)明的二維半導體材料已經(jīng)成為半導體材料研究的一個重要新方向。
8、液態(tài)金屬、熱電材料、壓電材料：潛心研究
2015年中科院理化所和清華大學的聯(lián)合團隊發(fā)明的液態(tài)自驅(qū)動金屬以其酷似“液態(tài)終結者”的形態(tài)而受到了廣泛關注，也標志著我國在液態(tài)金屬研究領域達到了世界的先進水平。這一新生事物或許還要數(shù)年甚至數(shù)十年的時間才能夠走向成熟應用。類似的，熱電材料填充方鈷礦、納米壓電材料等研究在2016年也一直在有條不紊地進行，其未來發(fā)展也值得我們耐心等待。
新材料領域整體趨勢
2016年材料領域的發(fā)展，整體顯現(xiàn)以下幾個特點：
1、新型半導體材料的研究始終是關注焦點。隨著光刻技術逐漸逼近硅材料的物理性能極限，新一代的半導體材料越來越成為高端材料和信息產(chǎn)業(yè)的研究重點之一。從石墨烯中首次發(fā)現(xiàn)了二維結構材料的優(yōu)異導電性后，二維錫、黑磷等“二維半導體材料”沿襲石墨烯的發(fā)展思路，開創(chuàng)了一種全新的半導體材料研發(fā)思路。2016年，又誕生了氧化錫、硒化銦兩種二維材料。此外還出現(xiàn)了具備柔性的半導體纖維材料SnIP。這都為未來半導體的發(fā)展提供了新的方向。
2、新應用引領下的新材料新理念及新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。一般而言，材料處于應用產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)上游，材料研究的進步帶動下游應用的發(fā)展。然而一些迅速崛起的新興應用也直接催生了新興的材料市場。如3D打印技術的高速擴張就直接帶動了市場空間極為可觀的3D打印材料；柔性顯示在長遠上的需求也是柔性玻璃快速發(fā)展的動力。
3、國內(nèi)企業(yè)大有可為。整體而言我國在新材料領域的起步較晚，市場影響力較低。然而隨著多年積累，情況正在逐漸改觀。例如，近年來我國企業(yè)已經(jīng)在高端碳纖維等領域?qū)崿F(xiàn)了突破，在氣凝膠的開發(fā)上也不落下風。無論在成熟市場的進口替代還是新興市場的開放方面，國內(nèi)企業(yè)都擁有巨大的發(fā)展前景。
作者均為上海市科學學研究所產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究室助理研究員。文章觀點不代表主辦機構立場。
年材料領域十大創(chuàng)新關注點
在過去的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。一些新的研究方向受到追捧，一些產(chǎn)業(yè)應用取得突破，還有一些既往熱點仍在默默發(fā)展。這些動態(tài)都值得我們在2017年保持高度關注。
新型半導體材料多樣化發(fā)展
隨著以傳統(tǒng)硅基半導體材料為基礎的超大規(guī)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。為了打破即將到來的瓶頸、推動電子信息產(chǎn)業(yè)的持續(xù)進步，近年來新的半導體材料始終是材料領域的研發(fā)熱點之一。以往的第三代半導體材料，以及石墨烯開創(chuàng)的二維半導體材料都曾被廣泛關注。
2016年，來自不同機構的科研人員又貢獻了數(shù)種全新的、具有應用潛力的新型半導體材料。美國猶他州大學的科研人員發(fā)現(xiàn)的二維氧化錫(SnO)是有史以來第一種穩(wěn)定的P型（帶正電荷的“空穴”運動）二維半導體材料?！笆┲浮卑驳铝摇ずＤ罚ˋndreGeim）發(fā)現(xiàn)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，遠遠超過了硅，在更低溫度下，這項指標還會成倍増長。德國慕尼黑工業(yè)大學的科研人員則發(fā)現(xiàn)了一種柔性的無機半導體材料SnIP，具有類似于DNA分子的雙螺旋形，體現(xiàn)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(xiàn)出類似于砷化鎵(GaAs)的電子性能，而且熱穩(wěn)定性更高、原料價格低廉、幾乎沒有毒性。
有機-無機雜化鈣鈦礦結構的太陽能電池在2009年被首次報道，在2013年被Science被評為十大科技進展之一。這種新型的太陽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)界重點關注。經(jīng)過近6年的發(fā)展，這類太陽能電池的光電效率就從3.8%穩(wěn)定提高到了22%以上，同傳統(tǒng)硅太陽能電池串聯(lián)后甚至可以達到30%，并且仍有進步空間。2016年，對一直困擾著相關產(chǎn)品實用化的穩(wěn)定性問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能電池實用化進程中的一大步。
此外，有機-無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(diào)帶隙等特點還使其還有望用于LED照明領域。
國內(nèi)企業(yè)進軍高等級碳纖維市場
碳纖維具有非常優(yōu)異的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，被廣泛用于航空航天、交通工具、新能源裝備、工程建設、體育休閑等領域。長期以來，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，同國外先進企業(yè)差距明顯，進口產(chǎn)品占整個市場銷量的80%以上。尤其是航空航天、工業(yè)應用等高端產(chǎn)品市場，進口產(chǎn)品占有率甚至達到95%，且長期處于被禁運的窘境。
目前，國內(nèi)T300級和T700級碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量已達到國外同類產(chǎn)品水平。2016年，哈爾濱天順化工科技開發(fā)公司宣布繼去年成功實現(xiàn)低成本T700碳纖維量產(chǎn)后，又利用自產(chǎn)千噸線生產(chǎn)的原絲，再次突破低成本T800級碳纖維生產(chǎn)技術,產(chǎn)品的拉伸強度、拉伸模量等各項指標均達到日本T800級碳纖維技術水平。中復神鷹碳纖維公司的千噸級T800原絲生產(chǎn)線也投入生產(chǎn)。這些成果打破了國外禁運的限制，加速了國產(chǎn)碳纖維的進口替代步伐。
石墨烯產(chǎn)品的應用場景進一步豐富
石墨烯問世以來，其神奇性能被多個產(chǎn)業(yè)領域所關注，大量的潛在應用不斷出現(xiàn)。除了傳統(tǒng)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(xiàn)，潛在市場空間不斷拓寬：利用其超高強度，全球第一輛在車身中添加了石墨烯材料的汽車和自行車分別在英國問世；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值20,000歐元的CMOS傳感器的價格降至10歐元；一種新型揚聲器摒棄了傳統(tǒng)的電磁激勵振動的原理，利用超多孔石墨烯基結構凝膠的快速冷熱變化帶動空氣振動發(fā)出聲音，能夠產(chǎn)生更高的聲壓。相信石墨烯會在許多其他意想不到的領域得到應用。
智能纖維帶動傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型
在我國，紡織行業(yè)一向被視為典型的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，早年更一度是壓縮落后產(chǎn)能的標桿性行業(yè)?！爸悄芾w維”的發(fā)展則給這一行業(yè)帶來了新的升級路徑和市場空間。智能纖維是指能夠感知外界環(huán)境或內(nèi)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吸/放熱量來實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)；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?qū)囟?、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?qū)щ娨约跋o電等。各種各樣的智能纖維能夠賦予織物各種奇特的性能，甚至使衣服也實現(xiàn)功能化、信息化，例如能夠?qū)⑷梭w運動能量轉(zhuǎn)化為電能并給手機充電的褲子、具有顯示功能的衣服等。這將為整個紡織行業(yè)帶來一次革命性的發(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(xù)了數(shù)十年，期間經(jīng)歷過多次高潮和沉寂。拓撲超導在2006年被發(fā)現(xiàn)以來，迅速成為凝聚態(tài)物理界新的研究熱點。近日，我國科學家又首次發(fā)現(xiàn)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(nèi)是有能隙的超導體，表面能夠產(chǎn)生一種被稱為Majorana費米子的無能隙態(tài)。據(jù)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系到未來計算機的發(fā)展。
氣凝膠逐步走向應用
氣凝膠是密度最低的固體材料，曾長期出現(xiàn)在各類科技產(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(xiàn)十多年，但價格始終居高不下，因此主要應用于航天、軍工、核能等尖端領域，市場份額十分有限，僅占整個隔熱材料市場的幾個百分點。
隨著技術進步，氣凝膠產(chǎn)品的性價比逐漸上升，冶金、石化、建材、熱力管網(wǎng)等工業(yè)市場正在逐漸打開，近年來氣凝膠市場的復合增長率已經(jīng)達到了36.4%。業(yè)內(nèi)預計在未來十年左右我國將迎來工業(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因此形成數(shù)百億元規(guī)模的潛在國內(nèi)市場。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域的應用也值得期待。
金屬氫后續(xù)發(fā)展值得關注
近日，美國科學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團隊多年以來的研究目標，摘得了這一高壓物理學的“圣杯”。此前，金屬氫被認為在木星等大天體的內(nèi)核中存在，地球內(nèi)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，同時在290k（16.85℃）的高溫下還能顯示出了超導現(xiàn)象。實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“金屬氫消失”的新聞又引起了廣泛的爭議，但金屬氫的研究本身仍然是值得長期關注的。
力學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(xiàn)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結構，而非組成成分導致的。光子超材料是以往超材料領域最主要的研究方向，能夠通過微觀結構的設計而體現(xiàn)出負折射率等自然界不存在的特性。密歇根大學的研究則實現(xiàn)了一種具有特殊力學性能的超材料，即材料表面軟硬質(zhì)地可以根據(jù)受力情況轉(zhuǎn)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，改變表面剛度幾個數(shù)量級。
這種材料制造的火箭可以在發(fā)射時保持剛性、降落時變軟以實現(xiàn)重復利用；自行車輪胎可以在騎行時自動變換硬度，以適合任何路況；汽車在發(fā)生事故時方向盤可以及時軟化保護乘客，不再需要額外的安全氣囊。力學超材料的發(fā)明也為超材料的發(fā)展提供了新的方向。
仿生材料創(chuàng)意無窮
仿生材料涵蓋的材料種類千差萬別，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，并且多年以來產(chǎn)生了大量成果。近期又有多種新型仿生材料出現(xiàn)：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生物軟骨、皮膚的合成水凝膠；受到植物種子的啟發(fā)，通過操作微結構來控制熱處理中的各向異性收縮而實現(xiàn)自成形的陶瓷材料。可以預見在各類材料領域，都有可能產(chǎn)生許多具有奇特性能的新型仿生材料。
（來源：三思派（ID:Science-Pie） 作者：沈應龍 黃善光）
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