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师昌绪 徐坚:材料科学成为人类进步的强大“引

  常昌徐健:材料科学已成为人类进步的强大“引擎”

  2009年前进材料科学技术对人类进步的材料科学技术成为强大的“引擎”。今天的材料2007年,在评估材料科学,国际半导体技术蓝图,扫描探针显微镜,巨磁阻效应,半导体激光器和发光二极管,美国国家纳米技术倡议,碳纤维复合材料,锂离子电池材料,碳纳米管,软蚀刻,超材料作为50年来的十大进步,到2009年这一评估仍具有战略指导意义,2009年最典型的材料技术进展是美国的波音787“梦幻客机”客机。它于12月15日在华盛顿州完成了第一次试飞。787项目于2004年4月开始,新载客量达250人,最大航程14000公里,该机采用大量轻质复合材料,如碳纤维达到前所未有的50%,新型客机排放低,节油20%以上另一架同样大小的客机,让乘客享受更舒适的旅行环境。波音787“梦想”客机已成为推动行业快速发展的物质技术进步的典范。 2009年材料科学最引人注目的事件是,由于高锟等人,瑞典皇家科学院通过光通信在光纤传输方面取得了突破性进展。今年,诺贝尔物理学院授予了他们的学校奖。诺贝尔奖得主于10月6日描述了Charles K. Kao在光通讯方面所取得的先驱性成果:“光线流入细小的玻璃线,在各个方向,文字,音乐,图片和视频中传送各种信息和数据。瞬间传遍世界各地“。事实上,早在20世纪30年代,已经有一种用于内窥镜引导光的光纤。但是,由于传输过程中光损失率较高,光信号光纤还没有取得进展。 1966年7月,在研究了玻璃介质的传输损耗之后,由Charles Kao领导的研究小组在“英国电气工程师学会”发表了一篇研究论文“介质波导波导的光波传输”,并开创了玻璃的纯度光纤的主要材料是减少光能损失的关键,熔凝石英是制造高纯玻璃的材料。 1971年推出首条1公里光纤。第一个光纤通信系统10年后投入使用。在短短几十年间,全球光纤总长度已经超过10亿公里。并且每小时扩展数千公里,这个技术发明标志着通信革命的曙光,使人类真正进入了信息时代,从而改变了全球通信的面貌。如今,人们可以上网,享受高清电视节目,与千年之外的朋友聊天,或躺在床上进行胃镜检查,彻底改变人们的生活方式,主要是由于中国科学家昆明人的高水平发明“光纤。”在2009年十大科学技术成就中,美国科学家成功研制出世界上第一台具有线性加速器相干光源的超快速X射线激光器,这是一个强大的研究工具,能够进行化学反应。反应和改变材料的电子结构,引起人们关注的是经过几年的建设,上海同步光源已经在2009年正式投入使用,成为世界上第三代同步辐射装置,为中国乃至世界的科学技术研究提供了强有力的手段。和工具。石墨烯被科学界列为2009年科学技术进步十强之一。它是一种以单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝格子结构的新型碳材料,可作为构建其他维度碳素材料的基本单元,如零维富勒烯,一维碳纳米管和三维石墨。石墨烯具有优异的力学,热学和电学性能,有望被广泛用于高性能纳米电子学,复合材料,场发射材料,气体传感器,储能等领域。石墨烯正在迅速成为材料科学和凝聚态物理领域的研究热点之一,包括大尺寸石墨烯薄膜的制备,新器件和石墨烯电子器件的开发。随着对其性质的深入研究,有可能成为电子行业新一代硅材料。德克萨斯大学奥斯汀分校利用化学气相沉积法在铜箔石墨烯上制备了甲烷和氢气的混合气体,首先在平方厘米的区域内表现出几乎完全被石墨烯覆盖,开发出一种新的方法在一系列有机溶剂中制备分散的化学改性的石墨烯片。 UCLA将氧化石墨纸放入纯肼溶液中,将氧化石墨纸还原成单层石墨烯导电材料,其面积为20μm×40μm,产率是以往化学法的三倍以上。韩国汉阳大学在石墨烯层中规则排列了ZnO纳米棒,制备了一种新的ZnO-石墨烯杂化结构,透光率为70%〜80%。 IBM Thomas J. Watson研究中心开发出运行速度达到26 GHz的最快的石墨烯晶体管。英国曼彻斯特大学通过石墨烯的可逆氢化制备新的石墨烷。
2008年2月,东京工业大学教授Hideo Hosono研究小组发现,铁基超导材料LaO1-xFxFeAs的临界温度可以达到26K,这一突破开创了新一轮科学界高温超导研究热潮。随后,研究人员在该系统中进行了积极的实验和理论研究。中国科研院所特别是中国科学院在这一轮高温超导研究中,迅速开展了卓有成效的研究工作,占据了非常重要的地位,2009年铁基超导材料的更多研究成果,着眼于其性质,随着超导温度的不断提高,对其隐藏科学原理的深入探索是超导材料领域的动力之一。自1991年以来,碳纳米管( CNT)被日本学者Iijima发现以来,碳纳米管因其机械,电气和化学性能而备受关注,材料研究始终火热,2009年碳纳米管物理学研究如载流能力倍增,在医药和能源领域的应用研究也得到了拓展,并取得了新的进展paration和工业化研究。麻省理工学院的研究表明,碳纳米管可以在没有金属催化剂的情况下制备,碳纳米管含有DNA损伤的细胞物质,物质会与DNA包裹的CNT发生反应,从而可以通过荧光状态判断DNA损伤物质。里雅斯特大学和瑞士洛桑理工学院已经表明,CNT是一种理想的智能脑材料,可以用作治疗创伤性中枢神经系统损伤的新材料。碳纳米电极也可以替代金属来治疗帕金森症状,如深度脑刺激治疗。美国代顿大学的研究发现,氮掺杂的碳纳米管可能会替代昂贵的燃料电池中的铂催化剂,可以解决铂资源不足和降低燃料电池成本的问题,美国,以色列联合研究小组开发出碳纳米管工业化的新方法,用氯磺酸作为纳米管的真正溶剂,可以大量加工纳米管由于全球气候变化和能源短缺,新能源材料实现能源转换,储存和利用以及新能源技术的发展起到了关键作用,其研究快速,硅所代表的半导体材料,以储氢合金为代表的Ni-MH电池材料,锂离子电池材料代表由电极材料,燃料电池材料,相变储能材料,受控热核反应堆材料以及其他储能电池材料组成,特别是对动力电池和储能电池材料的研究最为突出。美国能源部布鲁克海文国家实验室,特拉华大学和叶泽华大学联合研究小组将铂和铑原子通过碳固体负载在SnO2纳米颗粒上,研制出一种新型燃料电池催化剂,可以高效乙醇氧化CO2和其他主要产品。加拿大滑铁卢大学开发的锂硫电池具有优异的电化学性能,容量高达理论容量的80%,是锂过渡金属氧化物阴极的能量密度的三倍,具有良好的循环稳定性。德国弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所(Fraunhofer Electronic Nanosystems Institute)采用丝网印刷技术开发了一种新的1克,1毫米厚的电池,在超材料领域,由于超材料的出现,颠覆了一些自然界的基本定律,已经被学术界,特别是材料科学界所接受,但作为一种材料设计的概念,已经开始吸引越来越多的学者,杜克大学和东南大学研制出新的器件,尺寸为20“×4”,高度为1“ ,由超过10,000片铜蚀刻玻璃纤维材料制成,几乎遮蔽了整个光谱中的任何波形。伊利诺伊大学香槟分校开发了世界上第一个声学超材料“超级透镜”,大大提高了声学成像的清晰度和准确性,它提供了高分辨率的超声波成像,建筑物的无损结构检测,桥梁和水下隐蔽的重要应用前景加利福尼亚大学圣地亚哥分校开发了一种“存储器超材料”,其电磁特性可以暂时调整用于电压或光照。半导体材料和光电子材料,光子材料,新材料和其他成分构成了信息技术和工业的基础,美国Polyera的研究人员开发了基于萘二甲酰亚胺和苝二甲酰亚胺的新型聚合物,它可以容易地接受低能电子,形成非常规则的骨架结构,这种低成本,稳定的有机半导体聚合物弥补了目前n型有机半导体材料的缺口。美国罗彻斯特大学生产的纳米晶体不断发光,预计将用于制造更明亮,更通用的激光器,更亮的LED,以及高精度追踪药物细胞相互作用的生物标记物。多孔材料具有均匀的孔径,排列有序,孔径可调等特点,使其在生物材料的分离和提纯,催化,新材料装配等方面具有很大的潜力。美国密歇根大学通过配位聚合技术,制备出新型多孔材料UMCM-2,比表面积超过5000m2 / g。新加坡生物工程与纳米技术研究所以N,N-二甲基-L-苯丙氨酸为表面活性剂模板,通过自组装过程合成了世界上第一个由三条交错但不相连的通道组成的三维连续介孔SiO2材料,孔径为2〜50nm生物医用材料是自然或人造的高科技新材料,用于诊断,治疗,修复或置换病变组织,器官或增强功能,生物医药材料快速发展的主要动力来自人口老龄化,中等生物医学仿生材料和人造器官的设计和制造仍然有许多关键技术,尽管青少年创伤患者数量增加,疑难病人增多,高新技术发展,全球医用材料应用已达90多个品种和1800余种商品突破,其材料和生物相容性研究将是一个永恒的主题。英国曼彻斯特大学可生物降解的纳米纤维旋转静电纺丝,通过手术移植到受伤部位加速肌腱的生长和修复,可以大大缩短愈合时间。日本早稻田大学,国防医科大学从蟹壳和海带提取的壳聚糖,海藻酸钠合成了一种手术纳米薄膜,制成厚度为30〜1500nm的医用“胶带”,可用于修复人体内部伤口在体内降解,克服了现有医用胶粘剂易出现并发症的弊端,有助于缩短手术时间。
中国材料科学与技术进展
汤森路透2009年11月2日发表的一份关于中国居世界第二的科技论文报告指出,中国研究人员撰写的科学论文数量翻了一番多,仅次于美国的数量。报告称:“科学与技术的相对成长中国的科技论文是惊人的,远远超过世界其他国家“。中国研究人员的研究工作集中在自然科学和技术,特别是在材料科学,化学和物理学。指出,中国的大部分研究活动都集中在材料和技术领域。可以看出,中国已经建立了一个在各个行业中起主导作用的框架。报告还指出:“中国坚决控制创新材料领域,这可能会对这些技术产业的使用产生深远的影响,这些产业直接或间接地直接或间接地从中国的研究成果中获益”。 >我们也要清醒地认识到,尽管我国论文数量增长迅速,但是引用率不高,中国公民在国外学习和工作也包括在这些文章中。特别值得指出的是,我国科学期刊有世界影响力,这些问题不能解决,难以成为科技强国。截至2009年6月,中国科学家共发表了81篇“自然”,59篇“科学”和5篇“新英格兰医学杂志”。 2009年共有5篇材料科学与技术论文发表在“自然与科学”上。
沉阳民族材料研究所(联合)研究所早期发现铜纳米双胞胎具有奇特的性质2009年,陆磊和陆科研究组,丹麦Ris? co National国家可再生能源实验室黄晓旭还合作研究了不同双层厚度的纳米晶双胞胎的极限强度,发现随着双层厚度的减小,强度增加,在15nm达到极限,随后应变硬化和拉伸延展性增加并逐渐软化。研究表明,纳米晶双晶体极值强度的发生是由于随着双层片尺寸的减小,塑性变形机制由位错孪生占主导地位转移到双胞胎预沉积。 2009年1月30日发布的“科学”相关研究成果所引发的错误运动。2009年3月12日发布了一种钠在高压条件下可转化为透明绝缘子的研究成果,国家重点实验室吉林大学晏明研究组与国外合作者研制的超硬材料发现,“自然”在200GPa左右的压力下,Na可以转化为光学清晰的状态,实验和计算结果表明,这种新的构象是一种宽带隙六配位高密度六方密排六方晶体结构的绝缘体
中国科学院催化研究组织重点实验室及合作者沉伟enjie大连化学物理研究所成功制备了规整结构的四氧化三钴(Co3O4)纳米棒,其中代表纳米棒表面的活性(110)面超过40%,即使在-77℃的温度和水蒸气仍可以实现在Co完全氧化的条件下,反应速率通常是Co3O4纳米颗粒的10倍以上。 Co3O4纳米棒在汽车发动机冷启动条件(存在大量水蒸汽和二氧化碳,150℃〜400℃)附近表现出非常好的钴氧化性能和结构稳定性。相关研究论文发表于2009年4月9日的“自然”杂志。北京凝聚态物理国家实验室物理研究所(筹)周兴江研究小组和研究团队闻闻海虎研究组在高温超导体掺杂区域母体欠费米面的形状和研究超导电性的机制。周兴江研究小组与中国科学院理化技术研究所陈冲天等合作,利用自行研制的超高分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱在掺杂低的温度超导体Bi2201首先直接观察费米口袋,正常状态下进一步观察到费米口袋和费米弧共存,结果发表于2009年11月19日的“自然”杂志。化学学报,北京分子科学国家实验室(筹)和韩步兴姜涛研究组发现,两种常见的商业催化剂负载的钯纳米粒子和一种路易斯酸(如AlCl3)促使苯酚加氢反应生成环己酮。在1GPa和50℃下,经过7小时,苯酚的转化率可以达到99.9%,而环己酮的选择性可以达到99.9%以上。进一步研究表明,虽然路易斯酸本身不能催化苯酚与环己酮的反应,但能大大提高钯催化速率,有效抑制环己酮进一步加氢的副产物反应。相关研究论文发表于2009年11月27日的“科学”杂志。中山大学在多孔金属的孔隙中加入多框架四唑(MAF)加入柔性基底的开口侧,制备出一种新颖的多孔材料(MAF-2),其开关效应为298K和1atm具有高乙炔吸附容量(70cm3 / g)和高乙炔/二氧化碳吸附比(3.7),乙炔的饱和吸附容量可达11​​9cm3 / g,相当于其体积的20倍,当前气瓶容量乙炔40次,研究论文发表在“美国化学学会”上。三元光催化剂Pt-PdS / CdS由中国科学院化学研究所催化基础国家重点实验室制备。使用牺牲剂在可见光下获得93%氢的量子产率。该研究论文发表在“催化”。中科院长春应用化学研究所研制出具有高吸收系数的有机染料C217,实现了广谱吸收。在以乙腈为电解质溶剂的装置中,实现了9.8%的光电转换效率。采用无溶剂离子液体电解质,实现了光电转换效率为8.1%的染料敏化太阳能电池的长期光热稳定性。这两个指标是有机染料敏化太阳能电池最好的结果,这篇研究论文发表在“化学通讯”上。中国科学院上海硅酸盐研究所,Sn掺杂PZT95 / 5铁电陶瓷的研究,发现一个场诱导亚稳铁电相(FEIN),相位FEIN随温度不稳定性发生FEIN-AFE相变。相变伴随着较大的偏振变化,得到较高的热释电响应,峰值热释电系数可达160×10-8Ccm-2K-1,是国际上商业化的钛酸钡锶热电陶瓷的4〜5倍,研究论文发表“应用物理学通讯“。北京物理研究所凝聚态物理国家实验室与国家纳米科学中心合作,连续形成由CNT,CNT组成的三维网状结构,使聚合物链在分子水平上偶联,具有网状结构纳米管的复合纤维中,与碳纳米管短纤维随机分布的增强复合材料相比,其强度提高了一个数量级,研究论文发表在“纳米快车”上。合肥科技大学,合肥,在Cu(100)表面上吸附的单个三聚氰胺分子可以通过人工单分子操作转化为双功能分子,具有显着的整流和开关效应。单分子机械开关效应,相关研究发表在美国“国家科学院院刊”上。北京物理研究所北京凝聚态物理国家实验室(筹)制备的超导体Bi2Sr2-xLaxCuO6质量好的晶质掺杂氧化物系列,赢得了超导跃迁熵变,由于氧化铜的掺杂存在熵变并在超导体转变之后,不满足BCS物理图像。在正常状态下,存在一些电子Cooper对,而超导转变对应于建立相位相干性。相关研究论文发表在“物理评论快报”上。以上所述可以从国内外着名期刊的不同部分看到,国内外研究的基础,足以说明材料研究的飞速发展,正在酝酿着新的突破。以下只是我国在材料领域的一些宏观经济条件,包括人才,设备,材料等行业的现状。从2004年到2009年7月,据统计,全世界共发明专利申请403万件,其中日本和美国分别占26%和25%。中国占17%,排在第三位,共计79万;韩国第四名是7%。特别是值得注意的是,自2008年以来,中国接受的发明专利数量已经超过日本和美国,居世界第一位,达到了28.5万个。新材料初步形成了比较完整的材料研发体系,拥有国家重点实验室24个,国家工程研究中心33个(80多个),国家材料工程研究中心43个(141个) ),52个国家新材料产业化基地,103个火炬基地和7个国家级高新技术产业基地。在材料领域聘用了590多名高端专业人才,其中中国科学院院士105人,中国工程院院士120人。其中,被370多人选为“长江学者”,“百人计划”企业科技人员约100万人,其中工程师49.4万人,工程师28万人),新材料50.7万人(其中大中专以上学历34万人,其中研究生3.5万人);年度教材4万余名,硕士以上学历4200余人,博士1100余人。从中国的物质工业看,钢铁,水泥,玻璃,纺织等基础原料的生产能力和总产量在世界前列,基本满足国内需求,成为世界第一最大的原材料生产国和消费国,在我国的工业体系中占有较大的比重,虽然新材料技术和产业起步较晚,但新材料产业发展迅速,新材料产业在一些领域获得了技术优势,自主创新,如非线性光学晶体,碳纳米管,高温合金和功能陶瓷等的研究与开发,初步形成了自己的特色,通过在材料领域的科技成果产业化,提供了一些关键的新材料国民经济和国防建设等领域超级钢,稀土功能材料和镁合金已经放大产量。总体来看,新材料产业整体规模不大,大部分处于发展初期,产业发展呈集聚趋势,区域特色明显,形成了自己的优势和独特的发展格局。新材料的研究,开发,生产和应用是我国从物质国家向物质国家过渡的重要标志之一,必须高度重视。目前材料科学与技术发展的重要方向包括:结构与功能一体化,智能功能材料,材料与器件的集成,绿色制备与应用过程。主要有: )信息材料向超高集成电路,低线宽,器件的小型化,多功能模块的一体化发展。信息载体从电子到光子的发展,光通信,光传感,光存储,光转换技术已成为发展的重点DNA结构微芯片,压电材料,信息存储材料值得高度重视。(2)结构材料以轻质,高强度,高韧性,耐高温,耐腐蚀,耐磨损,低成本,环保,复杂,多功能的发展。以高性能,低成本的制造技术为发展重点,以材料设计 - 制造 - 评价一体化,功能化(智能化功能材料为主)方向。 (3)功能材料在新型电池材料和超级电容器材料,稀土永磁材料,生态材料,生物医学和仿生材料,超导材料等重点方向上取得新突破。仿人机器人,骨骼一体化技术值得关注。 (4)在共同的关键材料技术中,纳米技术已经成为世界关注的焦点,实际加速的过程包括纳米生物传感材料,生物医学材料,纺织材料,材料设计,制备,加工新技术的综合评价使得材料微观结构设计逐渐实用化,材料智能制备技术将材料设计,构件设计,材料合成与制备以及实时在线监测组织性能,反馈控制一体化。 (5)材料的高效利用,通用技术和工程技术已成为提高产业技术创新能力的关键技术,形成了规模化,低成本,迫切需求的环保型材料产业。经济社会发展经过30年的改革开放,中国站在了新的十字路口。在“通过工业建立国家”这个新的历史阶段,中国的工业化道路也正在面临新的选择,从经济强国将成为强国,新能源,新材料七大战略性新兴产业之一,信息产业,新医药,生物育种,节能环保,电动汽车等新兴产业,成为本轮国际金融危机背景下的下一个4万亿元投资和新一轮经济刺激计划十大产业振兴规划瞄准新材料为战略性新兴产业之一,根据占中国GDP28%和近50%城镇就业人口的物质领域的现状,充分利用科研和专利技术在材料领域的优势,成为国家经济的基础试点不仅要应对金融危机,促进经济平稳较快发展,促进产品升级和节能减排,而且要推出新的技术革命,培育战略性新兴产业,支撑经济的根本转型。该国的经济发展模式。材料领域将坚持适应当前需要和实施长远战略,坚持把培育新兴产业与传统结构调整相结合,坚持技术创新引领市场需求,在市场结合的推动下机制和宏观政策的引导相结合,是未来发展材料领域的起点和重点。努力培育半导体照明,新型显示系统,高性能电池,稀土功能材料,高性能纤维和复合材料,两用材料高增长,高带动战略性新兴产业的增长点。有效促进新材料产业发展,市场前景广阔,资源消耗低,动力系数大,就业机会多,综合效益好。努力抓住新材料,微电子技术/光电子材料与器件,新型功能与智能材料,高性能结构材料,纳米材料与器件,先进超导材料,节能材料,环境材料;开展材料设计,加工评估准备,材料有效利用,材料服务行为和工程关键技术研究与开发。设计是机械制造的灵魂,材料是基础,机械精度高,寿命长,自动化程度高是机械制造力量的必由之路。为此,要加强材料和零部件制造技术的研究和开发。大力推进钢铁,有色,石化,纺织,轻工,建材等基础原材料行业的结构调整和产业升级,实现关键共性技术的重大突破;通过应对气候变化,提高能源利用效率,减少污染物排放,实施节能减排,使中国的物质产业做强做大。“五分之二”未来发展将实施在材料领域的前沿部署战略,科学认识新技术原点;整合创新战略,着力抓住技术制高点的领先优势;引领实施发展战略,重点发展战略性新兴产业增长点,贯彻落实重点战略,始终立足于工业化重点,切实增强我国高新技术材料领域的自主创新能力,切实推动低碳高值材料的发展有效提升行业核心竞争力,提供强有力的材料l支持中国经济社会发展和国防安全。
致谢:本文属于“武汉中国科学院武汉图书馆先进制造与新材料研究组战略情报”部分信息,我要感谢意大利!
(作者:行业专家组国家自然科学基金委“863”新材料)

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