（本文原載《海盛之窗》2022年第二期，作者： 合金工廠 張敬利 ）

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

新材料技術的發(fā)展，對推動我國經濟高質量發(fā)展、保障國家安全具有十分重要的意義。2019年以來，世界科技強國持續(xù)高度重視新材料產業(yè)發(fā)展，并將新材料技術研發(fā)作為推動先進信息、新能源、醫(yī)療健康等顛覆性技術發(fā)展的關鍵。在人工智能、材料基因組等技術的驅動下，新材料研發(fā)和創(chuàng)新正在加速，變得更加高效。先進信息材料、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研究不斷取得進展，全面推動相關產業(yè)加速變革。作者利用網絡信息，以及通過國務院發(fā)展研究中心出版《2020年世界前沿技術發(fā)展報告》，整理出未來世界新材料技術及產業(yè)發(fā)展重要動向，簡單介紹世界各國，特別是先進國家的新材料、新技術突破點以及這些新材料、新技術給予我們的未來生活、科技等啟示。

一、世界新材料枝術及產業(yè)發(fā)展重要動向

當前，隨著全球“互聯(lián)網+”“人工智能+”，以及氫能經濟和低碳經濟等模式推陳出新，新材料與信息、能源、生物和環(huán)保等高技術領城加速融合，促進新經濟增長。其中，石墨烯村料、智能仿生材料、高性能復合材料等前沿新材料領城發(fā)展zui為迅猛，持續(xù)為產業(yè)技術升級、經濟結構優(yōu)化提供新的路徑。近年來。

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

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

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

2019年以來，新材料技術與產業(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，相關科技政策持續(xù)加碼；（二）是新材料在高技術領域的支撐性、引領性作用顯著增強；（三）是先進信息材料不斷涌現(xiàn)，高性能、低能耗成為發(fā)展潮流：（四）是新能源材料技術發(fā)展迅猛，推動相關產業(yè)加速變革，（五）是新材料研發(fā)正在加速，機器學習、大數(shù)據(jù)技術等為新材料研發(fā)帶來范式革命。

二：各類新材料研發(fā)投入及進展情況介紹

近幾年，世界各國積極推進人工智能、量子信息、生物醫(yī)藥、節(jié)能環(huán)保和新能源等前沿技術研究，旨在加快科技創(chuàng)新步伐，以解決日益嚴峻的人口老齡化、環(huán)境惡化、經濟增長緩慢等問題。作為發(fā)展各類前沿技術的前提和基礎，新材料技術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)略性地位進一步凸顯，2019年，美、日、韓等科技強國出臺的科技戰(zhàn)略或規(guī)劃，繼續(xù)將新材料作為研發(fā)優(yōu)先事項之一，以支撐新興產業(yè)發(fā)展。

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

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

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

2019年9月，美國國家標準技術研究院為小企業(yè)創(chuàng)新研究(Small Business Innovative Research，SBIR)計劃提供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準；Intact Solutions公司獲得10萬美元，將進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；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.先進信息材料不斷涌現(xiàn)，高性能、低能耗成為發(fā)展潮流

進入21世紀，信息產業(yè)已成為世界科技強國zui重要的支柱產業(yè)之一，其發(fā)展水平對一個國家的經濟增長、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、云計算、人工智能、量子信息、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網等信息技術快速發(fā)展，各類新興產業(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，信息材料和相關器件的發(fā)展進入快車道。2019年，美國、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)加快推進新型信息材料的研究與應用，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)等信息技術突破提供可能

2019年5月，美國斯坦福大學的科研人員將聚合物基氧化還原晶體管與導電長車緒器((Conductivridge Memor，CBMD進行突成，研制出名為：高子浮理內存”(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，它通過調高或調低兩個端子間的電力流動來模擬人腦神經元的學習過程，并允許并行編程。通過稀釋絕緣通道中的導電聚合物，研究人員可以將突出權重的讀取電流降到10納安以下。研究人員構造出一個3×3的人工突觸陣列并進行驗證，結果顯示，其性能超出預期，能效比現(xiàn)有計算技術高一個數(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展，有望帶來計算效率的極大提升

2019年3月，英國劍橋大學卡文油許實驗室與德。捷克等國研究機構組成的國際團隊在有機半導體領域取得新進展，為生產速度更快、能效更高的計算機帶來了希望，有機半導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)化應用。國際團隊人為地增加了有機材料中電子的數(shù)量，并使用自旋泵技術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。該技術可用于開發(fā)新一代計算機。

2019年5月，美國紐約大學(New York University)的研究人員開發(fā)出一種由電壓控制的拓撲自旋開關(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。該技術與現(xiàn)有的電子自旋技術和互補金屬氧化物半導體技術相比更具競爭力，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這種異質結構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存，增加了功能和電路設計的可能性。

2.3：新型半導體材料加速研發(fā)，應用范圍進一步擴展

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

2019年7月，英國卡迪夫大學(Cardiff  University)的科學家采用分子束外延(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，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家表示，新型APD可在弱信號環(huán)境和低溫環(huán)境中運行，并且能夠與大多數(shù)通信供應商的光電平臺兼容，未來有望大規(guī)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。

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

2019年4月，日本科學技術振興機構(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)造能適應多種生物學環(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)，并提出了應對措施：一是要認識材料和生物體交互作用產生的生物學現(xiàn)象：二是要開發(fā)能夠應用于不同生物學環(huán)境的定量評價測量新技術和新儀器：三是設計和創(chuàng)造生物自適應材料；四是建立生物材料進入實際應用所需的評價平臺。

2019年8月，韓國科學技術評價院(Korea Institute of S&T Evaluation and Planning，KISTEP)發(fā)布《2019年十大材料領域新興技術》報告，該報告以可行性、市場潛力及技術創(chuàng)新為指標，從環(huán)境、生物、能源、電子等具體應用領域選出了十大新興村料技術。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、交通行業(yè)快速充電電池、超輕量運輸裝置、適應極端環(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材料、結合可穿戴裝置的擴織品。該報告重點分析了上述新興材料技術的社會經濟意義、實現(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支撐到前沿顛覆的跨越式發(fā)展，呈現(xiàn)出新時代發(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、超材料、仿生智能材料、超導材料、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)和應用，其產業(yè)化進程也在加速。美國、日本、韓國等科技強國為搶占新一輪工業(yè)革命制高點，紛紛制定了相應的發(fā)展計劃和預期目標，并實施相應策略，推進前沿新材料跨越式發(fā)展。

以高純硅材料和芯片技術為基礎的新一代信息產業(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取得突破性進展，如芯片制造已發(fā)展到7納米水平，極大推進了信息技術的跨越式發(fā)展。2019年，信息技術發(fā)展的標志性成就主要表現(xiàn)在5G技術和區(qū)塊鏈技術的發(fā)展。5G技術可大幅提高網速，深刻地影響能源、醫(yī)療、汽車、制造等現(xiàn)代產業(yè)，如自動駕駛、無人機物流、智能電網、智能工廠、虛擬現(xiàn)實等都能通過應用5G技術實現(xiàn)革命性的發(fā)展。區(qū)塊鏈技術是以現(xiàn)代網絡為基礎，實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)存儲和加密算法等功能的新型計算機應用技術，可能引發(fā)未來經濟發(fā)展顛覆性的變革。

美、日等科技強國正加緊新型信息材料的研究與應用，典型的新型信息材料包括量子材料、二維材料及超材料等，這些材料的應用將顛覆未來的信息技術和器件形態(tài)，如量子計算機、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，主要以芯片技術突破為方向，并取得了大量高水平的研究成果。今后，中國應提高自主創(chuàng)新能力和產業(yè)核心技術水平，突破高端芯片制造技術瓶頸，同時也應加速新型信息材料的研制，推動先進信息技術的跨越發(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，同先進國家相比，中國前沿新材料在自主創(chuàng)新、新型產品開發(fā)和應用、研究范式變革和高端產業(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)勢應有更充分的認識和把握，可重點在以下幾方面實現(xiàn)標志性的突破。

一是加強材料科技前沿性基礎研究，突出前沿性、顛覆性，加強高起點、高水平的前沿性基礎理論研究。中國應選擇材料分子和原子層面上的結構特點作為切入點，從宏觀、介觀、微觀3個層面入手，從軟件和硬件兩個方面保證新材料研發(fā)和應用的高效運作、通過研究材料成分、組織結構、制造工藝、材料性能與材料應用之間的相互關系，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構及大小進行設計和組合，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合材料。國家在前沿基礎研究方面發(fā)揮引領、支持和協(xié)調的重要作用，應確定部門職責、推進跨部門、跨額城全面合作，保證研究規(guī)范、有序、高效運作，取得高質量、高水平，時效性強的研究成果。

二是加強創(chuàng)新體系建設。中國應進一步優(yōu)化前沿新材料的研發(fā)機制和產業(yè)化發(fā)展環(huán)境，充分做好新材料研發(fā)的頂層設計，培養(yǎng)和打造一批具有國際先進水平研究機構和高新企業(yè)，組合人才、資源、研發(fā)基礎等優(yōu)勢，努力實現(xiàn)一批前沿性新興術的突破：完善產學研機制，通過政策傾斜和資金支持，加速新材料研究成果的轉化和產業(yè)化：加強人才隊伍建設和高尖精人才培養(yǎng)，建立和完善創(chuàng)新驅動礎設施，如開放式的研究機構合作平臺、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，推進研究范式變革，計算機技術的快速發(fā)展和應用。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，中國在該領域已經形成了很好的發(fā)展基礎，但在數(shù)字模擬方案的設計，可控編程及新開發(fā)品種的實際驗證等方面還要繼續(xù)提升能力和水平。中國要進一步做好新材料研究“第四范式”的推廣應用，使之成為中國新材料研發(fā)zui重要的一種模式。