世界新材料領域2021年態(tài)勢總結

人工智能、機器學習等技術助力新材料研發(fā)。美國西北大學和麻省理工學院使用人工智能技術構建了一種新的、易于使用的工具，通過識別材料的新特征，加快科學家發(fā)現(xiàn)可發(fā)生金屬-絕緣體轉變材料的速度。美國麻省理工學院通過機器學習優(yōu)化具有多種特性（如韌性和抗壓強度）的新型3D打印材料，將加速新材料的研發(fā)進程。美國西北大學和豐田研究所成功應用機器學習指導新納米材料的合成，消除與材料發(fā)現(xiàn)相關的障礙。德國亞琛工業(yè)大學和芬蘭于韋斯屈萊大學開發(fā)基于機器學習和計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確性極高。

各國關注材料回收、二氧化碳轉化制取清潔能源的技術，推動相關催化劑和低碳足跡材料研發(fā)。日本東京大學聯(lián)合其他機構開發(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合來制造新的碳酸鈣混凝土。美國勞倫斯·伯克利國家實驗室利用新技術改進用于輔助反應的銅催化劑的表面，提高了二氧化碳向液體燃料的轉化效率。澳大利亞新南威爾士大學在室溫下使用液態(tài)鎵將二氧化碳轉化為氧氣和高價值的固體碳產(chǎn)品，未來可用于電池、建筑或飛機制造。

前沿新材料領域取得新進展，推動高技術產(chǎn)業(yè)變革。美國南阿拉巴馬大學研發(fā)出一種富含納米顆粒的新型碳纖維增強復合材料ZT-CFRP，其不僅比傳統(tǒng)鋁制結構輕，比鋼更堅固，且與傳統(tǒng)的碳纖維增強復合材料相比，不容易受到機械沖擊破壞的影響。中國浙江大學、香港城市大學和韓國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立支撐超薄石墨烯納米膜的方法，可以實現(xiàn)從基片上分離大面積（橫向尺寸達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構中，制造出“人造變色龍皮膚”，并制作了一個軟體機器人進行演示實驗。

世界新材料領域2022年趨勢展望

關鍵原材料供應安全受到全球關注，美西方欲構建關鍵原材料“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，以確保構建清潔能源技術所需的關鍵材料供給，旨在使稀土和鉑族元素的供應多元化，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《五眼關鍵礦產(chǎn)聯(lián)盟：關注格陵蘭島》報告，指出“五眼聯(lián)盟”國家應加強與格陵蘭島的戰(zhàn)略合作，增加對盟國關鍵礦產(chǎn)資源的供應，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、稀土元素等關鍵礦物采購來源”，從而在全球向清潔能源時代轉型過程中，弱化中國在全球稀土供應鏈的領導地位。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)項目，該項目將于2022-2023年投入運營，采礦率估計為每天2萬噸，而所有的礦物加工將在現(xiàn)場進行。

各國繼續(xù)加強新材料布局，推出多項新材料研發(fā)計劃，以支撐未來新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國國家科學基金會發(fā)布2021年版“通過材料設計以變革我們的未來”（DMREF）計劃，擬強化跨領域、跨機構間合作，并向25個研究項目資助4000萬美元。此外，美國國家科學基金會還啟動了“新興量子材料與技術”（EQUATE）5年期研究計劃，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協(xié)調(diào)辦公室發(fā)布《2021年國家納米技術倡議（NNI）戰(zhàn)略計劃》，提出未來5年具體目標和行動，以吸引全美各界參與，確保美國在納米材料發(fā)現(xiàn)、轉化、相關產(chǎn)品制造方面繼續(xù)處于世界領先地位。日本內(nèi)閣府公開發(fā)布《材料創(chuàng)新力強化戰(zhàn)略》，提出到2030年應重點推進4項具體舉措，即整合以數(shù)據(jù)為基礎的材料研發(fā)平臺、重要材料技術和應用領域的戰(zhàn)略性推進、構建材料創(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“先進材料的科學、技術和創(chuàng)新政策”，并設立先進材料指導委員會，就先進材料相關問題向政府提出有關政策和方案的制定和修訂建議，確立目標和優(yōu)先事項。

各國加快推動新能源材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，電池材料領域的競爭日益激烈。美國能源部發(fā)布《國家鋰電池藍圖2021-2030》報告，提出未來10年打造美國本土鋰電池供應鏈的五大主要目標和關鍵行動。荷蘭特溫特大學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，且不會導致電池損壞或縮短其使用壽命，預計2022年將進一步改進陽極，使其能夠應用于能源電網(wǎng)、需要快速充放電的電動機器或電動重型運輸領域。美國得克薩斯大學奧斯汀分校開發(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，并計劃在2022年測試其是否可用于電動汽車以及存儲風能、太陽能等可再生資源。日本東北大學多元物質(zhì)科學研究所首次創(chuàng)造出不含有毒元素的N型硫化錫薄膜，預計將比P型硫化錫薄膜表現(xiàn)出更高的轉換效率，計劃在2022年開展相關驗證實驗。