師昌緒徐堅：材料科學成為人類進步的強大“引擎”

波音787型“夢想”客機

　　2009年度材料科技的進展

　　材料科技的進展成為人類進步的強大“引擎”。《今日材料》2007年在評價材料科學時，將國際半導體技術藍圖、掃描式探針顯微鏡、巨磁電阻效應、半導體激光器和發光二極管、美國國家納米技術計劃、碳纖維復合材料、鋰離子電池材料、碳納米管、軟刻蝕、超材料等作為50年十大進展。到2009年，這一評價依然具有戰略性的指導意義。

　　2009年最典型的材料技術進展當屬美國波音公司787型“夢想”客機，12月15日在美國華盛頓州首次完成試飛。787項目于2004年4月啟動，新型客機載客量最高可達250人，最大航程14000公里。飛機大量采用碳纖維等輕型復合材料，達到了史無前例的50%，新型客機具有排放量低，比同等大小的其他型號客機節省燃油20%，并能讓乘客享受到更舒適的旅行環境。波音787型“夢想”客機成為材料技術進步推動產業高速發展的一個范例。

　　2009年材料科學最引人注目的事件莫過于瑞典皇家科學院因高錕等三人在“用于光學通信的光在纖維中傳輸的突破性成就”，將今年諾貝爾物理學獎授予了他們。10月6日諾貝爾獎評審委員會如此形容高錕等在光學通訊上取得的開創性成就：“光流動在細小如線的玻璃絲中，它攜帶著各種信息數據傳遞向每一個方向，文本、音樂、圖片和視頻因此能在瞬間傳遍全球。”實際上，早在上世紀30年代，已有用于內窺鏡傳導光線的光纖，但由于光線在傳輸過程中損耗率過高，傳輸光信號的光導纖維一直沒有取得進展。1966年7月，高錕領導的課題小組在深入研究了玻璃介質傳輸損耗后，在《英國電機工程師學會學報》上發表了研究論文——《介電波導管的光波傳送》，開創性地提出制造光導纖維主要材料的玻璃純度是減低光能損耗的關鍵，熔煉石英正是可以制造高純度玻璃的材料。

　　1971年首條1公里長的光導纖維問世，第一個光纖通訊系統也在10年后投入應用;在隨后短短幾十年間，全球光纖總長度已超過10億公里，并以每小時增加數千公里的速度擴展，這一技術發明標志著通訊革命的晨曦，使人類真正地進入了信息時代，從而改變了全球通訊的面貌。如今，人們可以在互聯網中暢游、欣賞高清晰電視轉播節目、與千里之外的友人通話，或者躺在病床上接受胃鏡檢查，這些徹底改變著人類的生活方式，主要歸功于英籍華裔科學家高錕發明的“光導纖維”。

　　2009年的十大科技成就中，美國科學家用直線加速器相干光源在世界上首次制成超快X射線激光，這是一種強有力的研究工具，能對進行中的化學反應拍攝快照，改變材料的電子結構。令人矚目的是，中國上海同步輻射光源在歷經數年的建設后，2009年投入正式運行，作為世界上第三代同步輻射裝置，為中國和世界材料科學和技術研究提供了強有力的手段和工具。

　　石墨烯(Graphene)被《科學》列為2009年十大科技進展之一，這是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結構的一種新型碳材料，可成為構建其他維度碳材料(如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨等)的基本單元。石墨烯具有優異的力學、熱學和電學性能，有望在高性能納電子器件、復合材料、場發射材料、氣體傳感器、能量儲存等領域獲得廣泛應用，石墨烯正迅速成為材料科學和凝聚態物理領域研究的熱點之一，其中包括制備大尺寸石墨烯薄膜、研制全新器件和石墨烯電子器件等。

　　隨著對其性質研究的不斷深入，有可能成為電子行業硅材料升級換代的一類新材料。

　　美國得克薩斯大學奧斯汀分校在甲烷和氫的混合氣中通過化學氣相沉積法在銅箔上制備出石墨烯，首次證明在平方厘米區域內幾乎全被單層石墨烯覆蓋，開發出可以在一系列有機溶劑中制備分散的、化學改性的石墨烯薄片的新方法。美國加州大學洛杉磯分校將氧化石墨紙置于純肼溶液中，將氧化石墨紙還原成單層石墨烯電導材料，面積達到20μm×40μm，產量是以前化學方法三倍以上。韓國漢陽大學在石墨烯層上規整排列ZnO納米棒，制備出一種新型的ZnO-石墨烯雜化結構，光透過率達70%～80%。IBM Thomas J. Watson研究中心研發出速度最快的石墨烯晶體管，工作頻率為26 GHz。英國曼徹斯特大學通過對石墨烯進行可逆加氫制備出一種全新的石墨烷材料(graphane)。

　　2008年2月，日本東京工業大學Hideo Hosono教授的研究小組發現鐵基超導材料LaO1-xFxFeAs的臨界溫度可以達到26 K，這一突破性進展開啟了科學界新一輪高溫超導研究的熱潮。隨后，科研人員在這一體系中展開了積極的實驗和理論研究。中國的科研機構，特別是中國科學院迅速開展了卓有成效的研究工作，在這一輪的高溫超導研究中占據了重要位置。有關鐵基超導材料在2009年更多是側重于其性質的基礎理論解釋。隨著超導溫度的不斷提高，對其背后隱藏的科學原理的深入探究是超導材料領域繼續發展的推動力之一。

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　　自1991年碳納米管(CNT)被日本學者Iijima發現以來，由于碳納米管具有許多異常的力學、電學和化學性能，始終是材料研究的熱點，2009年碳納米管物理性質研究，如載流能力得到翻倍，同時在醫學、能源等領域應用研究不斷拓展，制備和產業化研究也取得了新進展。美國麻省理工學院研究表明，可以在無金屬催化劑下制備碳納米管，碳納米管在細胞中含有DNA破壞物質時，該物質會與包裹CNT的DNA發生反應，通過熒光狀態就可判斷出何種DNA破壞物質。意大利里雅斯特大學和瑞士洛桑理工學院聯合研究表明，CNT是一種理想的智能大腦材料，可用做中樞神經系統外傷性損傷治療的新型材料，碳納米電極還可以取代金屬用于帕金森氏癥等的大腦深度刺激治療。美國戴頓大學研究發現，氮摻雜的碳納米管將有可能替代燃料電池中價格昂貴的鉑催化劑，從而有可能解決鉑資源不足及降低燃料電池成本。美國、以色列聯合研究小組開發出碳納米管產業化加工的新方法。利用氯磺酸作為納米管的真正溶劑，能夠大批量加工納米管。

　　2009年由于全球氣候變化和能源緊缺，新能源材料在實現能源轉化、儲存和利用以及發展新能源技術起到了關鍵作用，其研究風生水起，以硅半導體材料為代表的太陽電池材料、以儲氫合金為代表的鎳氫電池材料、以電極材料為代表的鋰離子電池材料、燃料電池材料、相變儲能材料、受控熱核反應堆材料以及其他儲能電池材料等，尤以發電電池和儲能電池材料的研究最為突出。美國能源部布魯克海文國家實驗室、德拉華大學和葉史瓦大學聯合研究小組將鉑和銠原子通過碳固載在SnO2納米顆粒上，研制出燃料電池的新催化劑，可將乙醇高效地氧化成CO2等主要產物。加拿大滑鐵盧大學開發出鋰硫電池，電化學性能表現優異，容量高達理論容量80%，是鋰過渡金屬氧化物陰極能量密度的3倍，且循環穩定性較好。德國弗朗霍夫電子納米系統研究所通過絲網印刷技術研制出重量<1 g、厚度<1 mm新型電池。

　　在超材料研究領域，由于超材料的出現顛覆了一些基本的自然規律，這一新的觀念尚未被學術界，特別是材料學界完全接受，但作為一種材料設計理念，已開始為越來越多的學者所關注。美國杜克大學和東南大學開發出大小20英寸×4英寸、高度<1英寸、由一萬多片用銅浸蝕玻璃纖維材料而制成的新裝置，幾乎能夠遮蔽全部波譜范圍內的波。美國伊利諾伊大學開發了世界上首個聲學超材料：“超級透鏡”，大幅度提高聲學成像的清晰度和精確度，對高分辨率超聲波成像、建筑和橋梁的無損結構探傷以及水下隱蔽技術具有重要的應用前景。加利福尼亞大學圣迭戈分校研制出 “記憶超材料”，其電磁性能可根據所施加電壓或光進行暫時調整。

　　半導體材料與光電子材料、光子材料、新型元器件材料等構成了信息技術和產業的基礎。美國Polyera公司的研究人員開發了新型的基于萘二甲酰亞胺(naphthalene- dicarboximide)和苝二甲酰亞胺(perylenedicarboximide)的聚合物，可以輕易地接受低能電子，形成排列非常整齊的骨干結構，使得電荷可以高效通過，該低成本、穩定的有機半導體聚合物彌補了目前n型有機半導體材料的空白。美國羅徹斯特大學制備出一種能持續發光的納米晶體，有望用于研制更加廉價更多用途的激光、更加明亮的LED，同時能夠作為高精度跟蹤藥物與細胞的交互作用的生物標記物。

　　多孔材料所具有的孔道大小均勻、排列有序、孔徑可調等特性，使其在分離提純、生物材料、催化、新型組裝材料等方面有著巨大的應用潛力。美國密歇根大學通過配位聚合技術，制備得到一種新的多孔材料UMCM-2，其比表面積超過5000 m2/g。新加坡生物工程與納米科技研究院以N，N-二甲基-L-苯基丙氨酸作為表面活性劑模板，通過自組裝過程合成出世界上第一種由三個交織但不互聯的通道組成的三維連續介孔SiO2材料，孔徑為2～50nm。

　　生物醫用材料是用于診斷、治療、修復或替換病損組織、器官或增進功能的天然或人造高技術新材料，生物醫用材料迅猛發展的主要動力來自人口老齡化、中青年創傷的增多、疑難疾病患者的增加和高新技術的發展，盡管全球醫學材料應用已達90多個品種、1800余種商品，但生物醫用仿生材料和人工器官設計與制造仍存在很多關鍵技術亟待突破，其材料與生物相容性研究將是一個永恒的主題。英國曼徹斯特大學將可生物降解納米纖維進行旋涂電紡，通過外科手術移植到受傷的部位，加速肌腱生長和修復，可大大縮短愈合時間。日本早稻田大學、防衛醫科大學從螃蟹殼和海帶中提取的殼聚糖、海藻酸鈉合成出一種手術用的納米薄膜，制成厚度在30～1500nm的醫用“膠布”，可以用于修補身體內部的傷口之后在體內降解，克服了現有醫用黏合劑黏接部位容易出現并發癥的弊端，并有助于縮短手術時間。

 

　　中國的材料科技進展

　　湯姆森路透集團2009年11月2日公布了一份關于中國科技論文位居世界第二的報告中指出，中國研究人員撰寫的科技論文增加了一倍以上，在數量上僅次于美國。報告說：“中國科技論文的相對增長幅度非常驚人，遠遠超過世界其他地方。”中國科研人員研究工作集中在自然科學和技術領域，特別是材料科學、化學和物理學方面。該報告指出，中國的研究活動大多集中在材料及技術領域，可以看出中國擺好了在多個行業發揮主導作用的架勢。報告還指出：“中國牢牢控制創新材料領域，這可能會產生深遠的影響。利用這些技術的工業領域大多直接或間接地依賴來自于中國的研究成果。”

　　我們還應該清醒地認識到，雖然我國論文數量增長很快，但引用率不高;這些論文中也包括在國外留學和工作的中國籍公民;特別應該指出的是我國還很少有世界影響的科學期刊，這些問題不解決，難以成為科學技術強國。

　　到2009年6月，中國科學家已經在《自然》上發表了81篇論文，《科學》上發表了59篇論文，《新英格蘭醫學雜志》上發表論文5篇。2009年在《自然》和《科學》上共計發表了5篇涉及材料科學技術的論文。

　　中科院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室早年發現銅的納米孿晶有奇異特性，2009年盧磊研究小組與盧柯、丹麥Ris?覬可再生能源國家實驗室黃曉旭又合作研究了具有不同孿晶層厚度的納米孿晶純銅的極值強度，發現強度隨孿晶層厚度下降而提高，在15nm時達到極值，隨后伴隨應變硬化和拉伸塑性的增加而逐步軟化，研究表明，納米孿晶純銅極值強度的出現，是由于隨孿晶片層尺寸減小塑性變形機制從以位錯孿晶界相互作用主導轉變為由孿晶片層結構中預存位錯運動主導所致，相關研究結果發表在2009年1月30日《科學》上。

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　　2009年3月12日《自然》上發表了鈉在高壓條件下可轉化為透明絕緣體的研究成果，吉林大學超硬材料國家重點實驗室馬琰銘研究小組與國外合作者實驗發現，在約200GPa壓力條件下，Na可以轉化成為一種光學透明狀態。實驗和計算結果顯示這種新構象是一種寬帶隙絕緣體，具有六配位的高度壓縮的雙六角密堆晶體結構。

　　中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室申文杰研究小組與合作者，成功制備出了結構規整的四氧化三鈷(Co3O4)納米棒，其中活性(110)晶面占納米棒表面的40%以上，即使在-77℃溫度及水汽存在的條件下仍然可以實現Co的完全氧化，其反應速率是通常Co3O4納米粒子的10倍以上。該Co3O4納米棒在接近汽車發動機冷啟動條件下(大量水汽和二氧化碳存在，150℃~400℃)表現出非常好的Co氧化性能和結構穩定性。相關研究論文發表在2009年4月9日《自然》上。

　　中科院物理所北京凝聚態物理國家實驗室(籌)周興江研究組和聞海虎研究組在高溫超導體母體欠摻雜區費米面形狀以及超導機理研究方面取得重要進展。周興江研究組與中科院理化技術研究所陳創天等合作，利用自主研制的超高分辨率真空紫外激光角分辨光電子能譜儀，在欠摻雜高溫超導體Bi2201中第一次直接觀察到費米口袋，在正常態還進一步觀察到費米口袋和費米弧的共存，研究結果發表在2009年11月19日《自然》上。

　　中科院化學所北京分子科學國家實驗室(籌)韓布興和姜濤研究組發現，兩種普通的商用催化劑——負載型納米顆粒鈀和路易斯酸(如AlCl3)可促進苯酚加氫生成環己酮的反應。在1GPa大氣壓和50℃條件下，反應7小時苯酚轉化率可達到99.9%，而環己酮選擇性可大于99.9%。進一步研究顯示，雖然路易斯酸本身不能催化苯酚加氫生成環己酮的反應，但可大幅度提高鈀催化此反應速度，同時可有效地抑制產物環己酮被進一步加氫生成副產物反應。相關研究論文發表在2009年11月27日《科學》上。

　　中山大學通過在多孔金屬多氮唑框架(MAF)的孔道開口加入柔性側基，獲得了一個具有開關效應的新型多孔材料(MAF-2)，在298K和1個大氣壓下具有高乙炔吸附能力(70cm3/g)和高乙炔/二氧化碳吸附比(3.7)，對乙炔的飽和吸附能力可達到119cm3/g，這相當于其體積的20倍和目前氣體鋼瓶儲存乙炔能力的40倍，研究論文發表在《美國化學會志》上。中科院大連化物所催化基礎國家重點實驗室制備三元光催化劑Pt-PdS/CdS，利用犧牲試劑在可見光下取得了93%的產氫量子效率，研究論文發表在《催化》上。

　　中科院長春應用化學研究所研發出一種具有高吸收系數的有機染料C217，實現了寬光譜吸收。在以乙腈為電解質溶劑的器件中達到了9.8%光電轉換效率，結合無溶劑離子液體電解質，實現了光電轉換效率達8.1%的長期光熱穩定的染料敏化太陽電池。這兩項指標均為有機染料敏化太陽電池的最好結果，研究論文發表在《化學通訊》上。

　　中科院上海硅酸鹽研究所對La、Sn摻雜的PZT95/5型鐵電陶瓷研究，發現了一種電場誘導產生的亞穩態鐵電相(FEIN)，該FEIN相隨溫度升高而失穩，發生FEIN-AFE相變。該相變伴隨有較大的極化變化，可獲得較高熱釋電響應，峰值熱釋電系數可高達160×10-8Ccm-2K-1，是目前國際商用鈦酸鍶鋇BST熱釋電陶瓷的4~5倍，研究論文發表《應用物理快報》上。

　　中科院物理所北京凝聚態物理國家實驗室與國家納米科學中心合作，通過CNT形成連續的三維網狀結構，使CNT與聚合物鏈在分子水平耦合，具有網狀納米管結構的復合纖維，與短CNT隨機分布加固復合材料相比，其強度發生了數量級增強，研究論文發表在《納米快報》上。中國科技大學合肥微尺度物質科學國家實驗室(籌)研究了吸附在Cu(100)表面的單個三聚氰胺分子可以通過人工單分子操控被改造為具有顯著整流效應和開關效應的雙重功能分子，實現了單分子機械開關效應，相關研究發表在美國《國家科學院院刊》上。

　　中科院物理所北京凝聚態物理國家實驗室(籌)制備出系列摻雜的高質量氧化物超導體Bi2Sr2-xLaxCuO6單晶，獲得了超導轉變熵的變化，欠摻雜銅氧化物超導體轉變前后存在熵變，不滿足BCS物理圖像;在正常態已經有部分電子庫柏對存在，而超導轉變則對應于相位相干特性的建立，相關研究論文發表在《物理綜述快報》上。

　　以上描述了從不同著名期刊上所看到國內外部分基礎研究成果，足以說明材料研究仍在高速發展，正在醞釀著新的突破。下面只是我國在材料領域的一些宏觀情況，包括人才、設施與材料產業的現狀。從2004年到2009年7月，根據統計，全世界的材料發明ZL受理數共計403萬件，其中日本、美國分別占總量的26%和25%。中國占17%，排在第三位，共79萬件;位于第四位的韓國為7%。特別值得指出的是，從2008年起，中國發明ZL受理數已超過日本和美國，數量位居世界第一，達到了28.5萬件。

　　新材料領域初步形成了較完整的材料研發體系，擁有國家重點實驗室24個、國家工程研究中心材料33家(80多家)、國家工程技術研究中心材料43家(141家)、國家新材料產業化基地52個、火炬基地103個、發改委國家高技術產業基地7家。材料領域人才隊伍日益壯大，擁有高端人才590余人，其中中科院院士105人、工程院院士120人、入選“長江學者”、“百人計劃”370余人;企業科技人員約100萬，其中傳統材料49.4萬(工程師28萬)、新材料50.7萬(大學及以上學歷34萬，其中研究生3.5萬);每年材料類大學畢業生4萬余人、碩士4200余人、博士1100余人。

　　從我國材料產業總體來看，鋼鐵、水泥、玻璃、紡織品等基礎原材料的生產能力和生產總量穩居世界前列，基本滿足國內需求，成為基礎原材料世界生產與消費大國，在我國工業體系中占有較大比重。新材料技術和產業雖然起步較晚，但發展很快，新材料產業通過自主創新，在一些領域具有技術優勢，如非線性光學晶體、納米碳管、高溫合金和功能陶瓷的研究和開發等方面初步形成了自身特色，通過材料領域科技成果的產業化，為國民經濟和國防建設提供了一批關鍵新材料，如集成電路用配套材料、超級鋼、稀土功能材料、鎂合金等已實現規模化生產。總體而言，新材料產業總體規模還不大，多數處于發展初期，產業呈集聚發展趨勢、區域特色明顯，形成了各有優勢、各具特色的發展格局。新材料的研究、開發、生產與應用是我國從材料大國走向材料強國的重要標志之一，必須引起我們的高度重視。

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　　材料領域未來展望

　　當今材料科學技術發展的重要方向包括了：結構功能一體化、功能材料智能化、材料與器件集成化、制備及應用過程綠色化。主要體現在：

　　(1)信息材料向超高集成電路、超低線寬、器件微型化、多功能化、模塊集成化發展。信息載體由電子向光子發展，光通信、光傳感、光存儲、光轉換技術成為發展重點方向。DNA結構微型芯片、壓電材料、信息存儲材料等值得高度關注。

　　(2)結構材料向輕質、高強高韌、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、低成本、環境友好、復合化、多功能化發展。以高性能、低成本制造技術為發展重點，向材料設計—制造—評價一體化、功能化(智能化以功能材料為基礎)的方向發展。

　　(3)功能材料在新型電池材料和超級電容器材料、稀土永磁材料、生態環境材料、生物醫藥與仿生材料、超導材料等重點方向取得新突破。仿人機器人、骨整合技術值得關注。

　　(4)在材料共性關鍵技術方面，納米技術已經成為世界高度關注點，實用化進程加快，包括在納米生物傳感材料、生物醫用材料、紡織材料等。材料設計、制備、加工與綜合性能評價新技術使得材料微觀結構設計逐步實用化。材料智能化制備技術將材料設計、零部件設計、材料的合成制備及組織性能的實時在線監測、反饋控制融為一體。

　　(5)材料的綠色制備技術、高效利用共性技術和工程化關鍵技術已經成為提高產業技術創新能力，形成大規模、低成本、環境友好材料產業的迫切需求。

　　中國的經濟社會發展經過30年的改革開放站在了新的十字路口，在“產業立國”的新歷史階段，中國的工業化之路也面臨新的選擇，從一個經濟大國到一個經濟強國，新能源、新材料、信息產業、新醫藥、生物育種、節能環保、電動汽車等七大戰略性新興產業，將成為我國在本輪國際金融危機背景下繼4萬億元投資和十大產業振興規劃之后的新一輪刺激經濟的方案。針對新材料成為戰略性新興產業之一，基于占我國GDP 28%、城鎮就業人口近50%的材料領域現狀，充分發揮材料領域科研成果和ZL技術居世界前列的優勢，材料應成為國民經濟基礎與先導，不僅要應對金融危機和推動經濟平穩較快發展，以促進產品升級換代和節能減排;也要催生新技術革命和培育戰略性新興產業，以支撐國家經濟發展方式的根本轉變。

　　材料領域將堅持滿足當前需求與實施長遠戰略相結合，堅持新興產業培育與傳統結構調整相結合，堅持技術創新引領與市場需求帶動相結合，堅持市場機制運作與宏觀政策引導相結合，是未來材料領域發展的出發點和重點。

　　努力培育半導體照明、新型顯示系統、高性能電池、稀土功能材料、高性能纖維及復合材料、軍民兩用材料等高成長、高帶動戰略性新興產業生長點。切實促進具有廣闊的市場前景、資源消耗低、帶動系數大、就業機會多、綜合效益好的新材料產業發展。

　　奮力搶占微電子/光電子材料與器件、新型功能與智能材料、高性能結構材料、納米材料和器件、先進超導材料、高效能源材料、生態環境材料等新材料技術制高點;開展材料設計、制備加工與評價，材料高效利用，材料服役行為和工程化關鍵技術研發。

　　設計是機械制造業的靈魂，材料是基礎，機械的高精度、長壽命、高度自動化是機械制造強國必由之路，為此，必須加強材料與零部件制造技術研究與開發。大力推進鋼鐵、有色、石化、紡織、輕工、建材等量大面廣的基礎性原材料產業的結構調整與產業升級，實現關鍵共性技術的重點突破;提升能源利用效率，降低污染物排放，以應對氣候變化，落實節能減排，實現我國材料產業由大變強。

　　“十二五”材料領域未來發展將實施前瞻部署策略，科學把握新技術的原創點;實施集成創新策略，重點搶占前沿技術制高點;實施引領發展策略，著重培育戰略性新興產業生長點;實施重點跨越策略，始終立足產業化的著力點。切實加強我國材料高技術領域自主創新能力，切實推進材料領域低碳化、高值化發展，切實提升產業的核心競爭力，為我國經濟社會發展與國防安全提供強有力的材料支撐。

　　致謝：本文部分信息資料由“中國科學院武漢文獻情報中心先進制造與新材料戰略情報研究小組”提供，謹致謝意!

　　(作者單位：國家自然科學基金委員會 國家“863”新材料領域專家組)