世界新材料領(lǐng)域2021年態(tài)勢總結(jié)

人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)助力新材料研發(fā)。美國西北大學(xué)和麻省理工學(xué)院使用人工智能技術(shù)構(gòu)建了一種新的、易于使用的工具，通過識別材料的新特征，加快科學(xué)家發(fā)現(xiàn)可發(fā)生金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料的速度。美國麻省理工學(xué)院通過機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化具有多種特性（如韌性和抗壓強(qiáng)度）的新型3D打印材料，將加速新材料的研發(fā)進(jìn)程。美國西北大學(xué)和豐田研究所成功應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)指導(dǎo)新納米材料的合成，消除與材料發(fā)現(xiàn)相關(guān)的障礙。德國亞琛工業(yè)大學(xué)和芬蘭于韋斯屈萊大學(xué)開發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算得出的描述符的系統(tǒng)，可用于尋找特殊種類的催化劑且準(zhǔn)確性極高。

各國關(guān)注材料回收、二氧化碳轉(zhuǎn)化制取清潔能源的技術(shù)，推動相關(guān)催化劑和低碳足跡材料研發(fā)。日本東京大學(xué)聯(lián)合其他機(jī)構(gòu)開發(fā)了一種工藝，通過回收廢棄混凝土并將其與捕獲的二氧化碳結(jié)合來制造新的碳酸鈣混凝土。美國勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室利用新技術(shù)改進(jìn)用于輔助反應(yīng)的銅催化劑的表面，提高了二氧化碳向液體燃料的轉(zhuǎn)化效率。澳大利亞新南威爾士大學(xué)在室溫下使用液態(tài)鎵將二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣和高價值的固體碳產(chǎn)品，未來可用于電池、建筑或飛機(jī)制造。

前沿新材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展，推動高技術(shù)產(chǎn)業(yè)變革。美國南阿拉巴馬大學(xué)研發(fā)出一種富含納米顆粒的新型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料ZT-CFRP，其不僅比傳統(tǒng)鋁制結(jié)構(gòu)輕，比鋼更堅(jiān)固，且與傳統(tǒng)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，不容易受到機(jī)械沖擊破壞的影響。中國浙江大學(xué)、香港城市大學(xué)和韓國IBS低維碳材料中心共同開發(fā)了一種冷縮法制備大面積獨(dú)立支撐超薄石墨烯納米膜的方法，可以實(shí)現(xiàn)從基片上分離大面積（橫向尺寸達(dá)4.2厘米）氧化石墨烯組裝薄膜（納米級厚度）。韓國首爾國立大學(xué)受自然界變色龍的“偽裝”啟發(fā)，將熱致變色液晶層與垂直堆疊的、圖案化的銀納米線加熱器集成在多層結(jié)構(gòu)中，制造出“人造變色龍皮膚”，并制作了一個軟體機(jī)器人進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

世界新材料領(lǐng)域2022年趨勢展望

關(guān)鍵原材料供應(yīng)安全受到全球關(guān)注，美西方欲構(gòu)建關(guān)鍵原材料“國際聯(lián)盟”。美國能源部宣布將在2022-2024年出資3000萬美元，用于開發(fā)新技術(shù)，以確保構(gòu)建清潔能源技術(shù)所需的關(guān)鍵材料供給，旨在使稀土和鉑族元素的供應(yīng)多元化，開發(fā)替代品并改善其回收與再利用。英國極地研究與政策倡議組織發(fā)布《五眼關(guān)鍵礦產(chǎn)聯(lián)盟：關(guān)注格陵蘭島》報(bào)告，指出“五眼聯(lián)盟”國家應(yīng)加強(qiáng)與格陵蘭島的戰(zhàn)略合作，增加對盟國關(guān)鍵礦產(chǎn)資源的供應(yīng)，并減少對“稀土壟斷大國”中國的依賴。美國、加拿大、澳大利亞共同啟動“關(guān)鍵礦物測繪倡議”，旨在幫助各國政府及企業(yè)獲得“多樣化的鈷、鋰、稀土元素等關(guān)鍵礦物采購來源”，從而在全球向清潔能源時代轉(zhuǎn)型過程中，弱化中國在全球稀土供應(yīng)鏈的領(lǐng)導(dǎo)地位。為此，美國稀土公司致力于開發(fā)在哈德斯佩思縣的“圓頂”（Round Top）礦區(qū)項(xiàng)目，該項(xiàng)目將于2022-2023年投入運(yùn)營，采礦率估計(jì)為每天2萬噸，而所有的礦物加工將在現(xiàn)場進(jìn)行。

各國繼續(xù)加強(qiáng)新材料布局，推出多項(xiàng)新材料研發(fā)計(jì)劃，以支撐未來新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國國家科學(xué)基金會發(fā)布2021年版“通過材料設(shè)計(jì)以變革我們的未來”（DMREF）計(jì)劃，擬強(qiáng)化跨領(lǐng)域、跨機(jī)構(gòu)間合作，并向25個研究項(xiàng)目資助4000萬美元。此外，美國國家科學(xué)基金會還啟動了“新興量子材料與技術(shù)”（EQUATE）5年期研究計(jì)劃，資助額度為2000萬美元。美國白宮科技政策辦公室和國家納米技術(shù)協(xié)調(diào)辦公室發(fā)布《2021年國家納米技術(shù)倡議（NNI）戰(zhàn)略計(jì)劃》，提出未來5年具體目標(biāo)和行動，以吸引全美各界參與，確保美國在納米材料發(fā)現(xiàn)、轉(zhuǎn)化、相關(guān)產(chǎn)品制造方面繼續(xù)處于世界領(lǐng)先地位。日本內(nèi)閣府公開發(fā)布《材料創(chuàng)新力強(qiáng)化戰(zhàn)略》，提出到2030年應(yīng)重點(diǎn)推進(jìn)4項(xiàng)具體舉措，即整合以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的材料研發(fā)平臺、重要材料技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的戰(zhàn)略性推進(jìn)、構(gòu)建材料創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)、積極培養(yǎng)并留住能夠支撐材料創(chuàng)新力的人才。巴西發(fā)布了“先進(jìn)材料的科學(xué)、技術(shù)和創(chuàng)新政策”，并設(shè)立先進(jìn)材料指導(dǎo)委員會，就先進(jìn)材料相關(guān)問題向政府提出有關(guān)政策和方案的制定和修訂建議，確立目標(biāo)和優(yōu)先事項(xiàng)。

各國加快推動新能源材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，電池材料領(lǐng)域的競爭日益激烈。美國能源部發(fā)布《國家鋰電池藍(lán)圖2021-2030》報(bào)告，提出未來10年打造美國本土鋰電池供應(yīng)鏈的五大主要目標(biāo)和關(guān)鍵行動。荷蘭特溫特大學(xué)使用全新材料鈮酸鎳作為鋰離子電池的陽極，將充電速度提高10倍，且不會導(dǎo)致電池?fù)p壞或縮短其使用壽命，預(yù)計(jì)2022年將進(jìn)一步改進(jìn)陽極，使其能夠應(yīng)用于能源電網(wǎng)、需要快速充放電的電動機(jī)器或電動重型運(yùn)輸領(lǐng)域。美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校開發(fā)了一種高度穩(wěn)定、能快速充電、可防止形成枝晶或表面腐蝕的新型鈉基電池材料，并計(jì)劃在2022年測試其是否可用于電動汽車以及存儲風(fēng)能、太陽能等可再生資源。日本東北大學(xué)多元物質(zhì)科學(xué)研究所首次創(chuàng)造出不含有毒元素的N型硫化錫薄膜，預(yù)計(jì)將比P型硫化錫薄膜表現(xiàn)出更高的轉(zhuǎn)換效率，計(jì)劃在2022年開展相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。