第一情报 ---材料工业

2003年世界新材料研究领域进展

供稿人:马春;陈文龙  供稿时间:2004-6-24   关键字:新材料  2003年  基础研究  
进入21世纪,材料科学和材料工业被公认为最重要、发展最快的高新技术产业之一。新材料技术对工业、农业以及国防和其他高新技术产业的发展,都具有无可替代的支撑作用。新材料同信息技术、生物技术构成当今世界高新技术的三大支柱,是产业进步的重要推动力。
 
2003年,世界各国科学家在新材料研究领域取得了一系列令人振奋的成就。纳米材料、信息材料、金属材料等方面均有不少高水平的发现与发明诞生,引起世界轰动。可以断言,这些新成果必将吸引科技界、产业界和政府机构的关注,并成为今后相当一段时期的研究、开发和产业化的热点。本文对此进行了综合评述。
 
一、纳米材料研究取得一系列重大进展
纳米材料是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给各个领域带来一场革命”。2003年,世界纳米材料研究凯歌高奏,取得了引人注目的成果。这一年,美国用DNA分子制造出纳米级脚手架金属线;法国利用粉末冶金制成具有完美弹塑性的纯纳米晶体铜;我国研制成功新型纳米材料——纳米团簇;日本将导体和半导体套在一起,制成了双层纳米管;中国香港研制出世界上最细小的纳米硅线等等。这些重大研究成果的出现促进了纳米材料产业的进程,而且大多数已被国际权威刊物《科学》、《自然》等杂志刊登报道。
 
1、中国研制成功新型纳米材料——纳米团簇
2003年2月,中国科学院物理研究所的国际量子结构中心成功研制出具有十分诱人应用前景的新型纳米材料——全同金属纳米团簇,一种能在纳米尺度的金属膜上整齐而有序地镶嵌另一种金属原子的材料,这在国际材料科学研究领域和工业界引起强烈反响。
 
这是科研人员第一次在硅金属的基片上成功种入铝原子,其大小为1.5纳米,而且种植十分均匀,形成了一种人工的两维晶体。迄今为止,他们已经这样制备了16种不同的人工晶体。论文发表后,著名的《科学》、《自然》、《物理评论快报》和《电子工程》杂志等,很快掀起一股报道“纳米团簇”的旋风。为此,课题组在各种国际会议上被聘请作特邀报告多达35次。
 
2、日本科学家制成双层纳米管
2003年4月,日本名古屋大学科学家成功研制出一种双层纳米管,外层为半导体,内层为导体,可作为极微细电子元件的配线用于薄形装置的关键部位。
 
据《日本经济新闻》报道,双层纳米管是利用在碳电极间断续放电的方法合成的,内层可以像金属一样导电,直径为1.3纳米,外层具有半导体的特性,直径为2纳米。科研人员把双层纳米管称为纳米同轴电缆,因为在通信中使用的同轴电缆多呈导体和绝缘体多层结构,以提高导电性能。由于双层纳米管是由不同导体性能的纳米管构成,因此可以根据需要发挥不同的导电性能,这意味着它在超小型精密器械制造等对导电性能要求高的领域将大有用武之地。
 
3、世界上最细小的纳米硅线在香港面世
2003年5月,世界上最细小的纳米硅线在香港城市大学研制完成。这项科研成果刊登在《科学》杂志上,并被用作封面图片,这也是该杂志第一次将中国内地和港澳台地区的纳米成就用作封面介绍。
 
该项纳米研究,是通过“氧化物辅助生长”新方法,成功制造出直径小至1个纳米的纳米硅线,相当于约五万分之一的人体头发的直径。科研人员认为,这项成果适用于大多数半导体纳米线。同时,由于硅是广泛使用的电子材料,可以预期,纳米硅线将引领崭新科学的发展,拓展其在电子及光电子学等多方面的应用。
 
4、法国科学家制成具有完美弹塑性的纯纳米晶体铜
2003年5月,法国国家科研中心的研究人员在对铜的纳米结晶体进行牵引试验后惊奇的发现,这种只有几十纳米大的颗粒状物质,比传统的铜物质坚固3倍。
 
这种铜结晶体的平均体积仅为80纳米,是研究人员使用两种特别工艺制造出来的:先用致冷蒸发—凝聚法制备出大量超精细的金属粉末,然后通过冷却差分压制成法将这些粉末聚合成颗粒物质。在实验中,研究人员对纳米铜结晶体施加了不同外力,并对铜晶体产生的形变进行跟踪观察。结果发现,这种物质表现出惊人的机械特性,它的强度不仅比普通铜高3倍,而且形变非常均匀,没有明显的区域性变窄现象。这是科学家首次观察到物质具有如此完美的弹塑性行为。科学家认为,铜纳米晶体的这种机械特性为制造常温下的弹性物质开辟了光明的前景。
 
5、美国研究人员用DNA分子制造纳米级脚手架金属线
2003年10月,美国杜克大学的科研人员在纳米级合成方面取得了突出成就,将来可能开发出可编程分子级传感器或电路。他们利用自行组装的DNA分子作为分子建筑材料(称作“瓦”),制成了支撑蛋白质的纳米级脚手架和金属线,其直径只有数十亿分之一米。这一研究成果发表在当月的《科学》杂志上。
 
专家指出,由于DNA链天生就会有选择地附着在一起,因此就可以使DNA链自行排列成十字形的“瓦”,其4个端头都可形成分子键。因此,大量十字就可以自然地结合在一起,形成性能稳定、表现良好的半刚性华夫饼干式结构。根据DNA的自身特性,研究人员还可以将这些“瓦”设计出不同的组合方式。
 
二、金属材料研究成果喜人
2003年也是世界金属材料研究可喜的一年。从金属材料表面纳米化技术获得突破,到金属材料疲劳踪迹以及“软化”钛合金方法的发现,再到世界上强度最高的镁基金属玻璃的问世,可以说在金属材料基础研究和开发应用方面,均取得了可观进展。
 
1、中国在金属材料表面纳米化技术获重要进展
2003年1月,中国科学院金属研究所卢柯博士领导的研究小组,利用金属材料的表面纳米化技术在解决金属材料表面氮化这一重大技术难题上取得突破性进展。研究成果发表在《科学》杂志上。
研究人员先对纯铁进行表面纳米化处理,在几十微米厚的表面层中获得纳米晶组织。然后利用常规气体氮化处理在300℃保温9小时后成功地实现了表面氮化,获得10微米厚的氮化物层,而未经处理的纯铁在同样条件下几乎无氮化物形成。性能测试结果表明在300℃下形成的表面氮化层具有很高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
 
专家认为,这一结果证明铁的表面氮化温度可以利用表面纳米化技术而大幅度下降,从而使表面氮化技术的适用面大大拓宽;同时也说明通过表面纳米化技术可以实现材料表面结构选择性化学反应。
 
2、德国科学家发现材料疲劳踪迹
2003年11月,德国马普研究协会斯图加特金属研究所的材料科学家发现,易碎材料在以超音速运行时会出现裂痕。研究人员用巨型计算机对裂痕动力学进行了大量计算机仿真实验后表示,在何种条件下,可以通过超弹性来确定裂痕的转播。研究人员的发现有助于人们了解飞机或航天飞行器出现的裂痕。
 
此外,研究人员还发现,固体物质的弹性取决于塑性强度。材料不断扭曲直至接近其弹性极限时,金属变软,而聚合物相反变硬。如果一个部件出现裂痕,其原因是由于裂痕顶部的材料发生了极度变形。试验中,科学家还证实了大扭曲的情况下材料的超级弹性,在出现裂痕的同时,材料会吸收和破坏周边材料的能量。
 
3、世界上强度最高和具有强玻璃形成能力的镁合金问世
2003年11月,中国科学院金属研究所科研人员研制出目前世界上强度最高和具有强玻璃形成能力的镁合金。这一研究进展使我国在此领域跃居国际先进水平,对推动镁基金属玻璃作为新一类轻质高强度材料的应用具有重要意义。
 
这一世界上玻璃形成能力最强的镁合金,在铜模浇铸时金属玻璃圆棒直径可达到9毫米。相关研究成果发表在《材料研究杂志》上。在此基础上,他们还与美国约翰霍普金斯大学研究人员合作,发展了一种铁颗粒弥散分布于金属玻璃基体上的内生复合材料,材料的压缩断裂强度达到1000MPa。同时,断裂前的塑性应变约为1%,材料的强度与塑性指标均为玻璃态镁合金前所未有,该项成果登载于《应用物理快报》上。
 
4、德国科学家发现“软化”钛合金的新方法
2003年11月,为降低钛合金加工成本,德国不伦瑞克大学的材料科学家在金属材料结构上做文章,他们先设法将钛合金软化,并对其进行加工,然后再将材料的特性复原。
 
钛合金强度大、重量轻、耐热性能好,适用于船只、汽车、航空航天工业,被人们视为未来材料。然而,钛合金的加工难度极大,如加工一个船用涡轮压缩机轮需要50个小时,而加工一个铝合金的同样部件仅需5个小时。为此,科学家采用一种专门的热处理方法,将氢原子渗入材料,掺氢的钛合金相对软化。对软化的钛合金进行切削加工证明,此时加工设备所承受的机械和热负载明显降低,切削力仅为过去的50%,大大降低了加工成本。加工完后,再经热处理工序,材料的特性则回到原先状态。
 
三、信息材料研究取得新突破
信息材料技术是新材料技术的重要组成部分,也是信息技术尤其是电子信息技术发展的基础。2003年信息材料技术取得了相当大的突破,其中以新型高分子液晶材料的研究、纳米级晶体管的研制成功、多孔硅的研究,以及新型压电材料的开发等尤其具有代表性。
 
1、中国在多孔硅研究中取得重要进展
2003年2月,中国科技大学研究人员在电子信息材料的重要领域——多孔硅的研究中取得重要进展,获得了稳定的肉眼可见的蓝光发射。研究成果在当月的Applied Physics Letters杂志上发表,同时,著名的光学网站Optics.org以“多孔硅发蓝光”为题发表消息,称“中国科学家找到了能使多孔硅发射稳定的肉眼可见的蓝光的方法”。
 
多孔硅是由大量硅纳米线站立在单晶硅基底上构成的,研究小组在硅纳米线周围填充钛氧锆铅(PZT),由于PZT是铁电材料,能自发极化,因此相当于在硅纳米线周围施加了一个静电场,当纳米线被激发后,静电场能诱导被激发的电子/空穴发生分离,并向相反方向运动,增强了载流子在纳米Si/PZT界面的复合,从而获得肉眼可见的蓝光发射。
 
2、中国新型高分子液晶材料研发获重大突破
2003年9月,英国《自然》杂志发表了留日博士俞燕蕾在新型高分子液晶材料的研究和开发方面的重大突破。日本NHK电视台和多家媒体对这一科研成果进行了报道。
 
俞燕蕾博士利用含偶氮苯色素的高分子液晶材料对偏振光选择吸收的特性,实现了技术上的突破。通过改变偏振光的偏振方向等技术精确地控制薄膜的卷曲方向,使其可以沿着任意的方向进行卷曲。这种卷曲的过程可以反复实现而薄膜不会出现疲劳现象。该材料的功能完全由光来控制,不需要任何电池、电动机、齿轮等的介入,可以应用于微型机械的驱动装置、小型医疗器械等开发上,同时光在远程控制上的优越性使得该材料在航空和国防等领域也具有极大的应用潜力。
 
3、日本开发出纳米级晶体管,体积为目前晶体管的1/150
2003年12月,日本电气公司(NEC)硅系统研究所研究人员成功开发出只有5纳米大小的晶体管,若将其应用到计算机制造中,现在每秒运算6千亿次的超级计算机将可缩小到只有台式电脑大小。
新开发的晶体管约为目前晶体管体积的一百五十分之一,与目前主流130纳米系统集成电路(LSI)相比,速度将提高18倍,而耗电量为目前LSI的二十五分之一。行业专家曾认为,由于结构所限,目前晶体管的制作最小极限应为10纳米左右。但NEC此次通过调整晶体管的形状和制造方法,在没有改变晶体管结构的基础上成功开发出了5纳米的世界最小晶体管,的确是一大突破。
 
4、日本开发出新型压电材料,电致伸缩效应提高40倍
2003岁末,日本科学技术振兴机构与物质材料研究机构的联合研究小组共同开发出一种基于新原理的压电材料。这种压电材料通过增加电场,使物质的晶体结构发生伸缩,电致伸缩效应为历来同样材料的40倍。研究成果刊载在《自然》杂志网络版上。
 
迄今为止,压电材料使用钛氧锆铅,而此次开发的材料不含铅成分,可实现高性能,对环境无害的传感器及换能器制造。此次研究小组利用新原理开发的压电材料正离子与负离子中心移动时产生的偶极矩电极化的区域,在增加电场之后沿电压方向一齐发生变化,实现了可逆性的巨大电致伸缩效应。在理论上可实现最大5%的移动。该材料应用于超声成像(特别是医用超声成像)、声纳、微驱动器等器件可使其性能有重大提高。
 
四、其它新型材料研究亦有很大发展
2003年新材料研究在其它领域也取得了较大的进展,其中包括新型生物复合材料、新型导电塑胶、新型光触媒涂料的问世等。
 
1、俄罗斯研制成功可修复人体受损组织的新型生物复合材料
2003年3月,俄罗斯莫斯科国家口腔大学和创伤中央研究所研制出一种可修复人体受损组织的新型生物复合材料,有关专家认为,该科研成果将在医学上获得广泛应用。
 
俄罗斯科研人员通过多年研究发现,从人体或动物的骨骼中提取的骨胶原(结缔组织的主要蛋白质)与从结缔组织中分离出的复杂氨基葡萄糖结合起来,可以获得具有独特功能的新型生物复合材料。专家指出,在这一生物复合材料中,骨胶原和复杂氨基葡萄糖对人体组织有着特殊功能,将有助于恢复受损伤的人体器官组织功能,如可加速伤口的愈合,用于牙科手术、肉瘤的治疗以及关节的修复等。
 
2、日本以新工艺开发出含有碳纳米管的导电塑胶
2003年6月,日本科学技术振兴事业团研究小组用新工艺开发出了内含碳纳米管、强度高、导电性好的新塑胶。研究小组把粉末状的碳纳米管与特殊的溶剂混在一起,经过15分钟左右的研磨,制成了富有光泽的凝胶体。但在此之前,把碳纳米管与其它物体混合在一起十分困难。科研人员介绍,采用上述工艺时,任何人都可以在不使用特别装置的情况下,使碳纳米管与特制溶剂混合在一起,从而使碳纳米管的应用更加容易。
 
目前,科研人员正在积极尝试对碳纳米管材料进行加工,以便将来开发出新型电子机械和燃料电池。
 
3、中国成功研制出新型光触媒涂料
2003年9月,中国科学院理化技术研究所成功研制出同时具有抗菌、防雾、防霉、自洁、光催化分解污染物等多重功效的新型光触媒涂料。由于该涂料成膜后具有的亲水以及光催化性能,在玻璃上使用后,使玻璃具有明显的防雾,自洁功能。初步的抗菌实验显示,这种涂料对金黄色葡萄球菌的抗菌率大于99%。同时,该涂料还具有室温下快速成膜的优点,室温成膜48小时后,如不刻意刮划,膜不会被破坏或自行脱落。据介绍,该涂料中的主要功能成分为光活性高、光稳定性好、无毒、安全性好的光催化剂TiO2及其银系复合物。
 
五、发达国家高度重视新材料研究
新世纪是以高科技为基础的新经济时代,而在高科技的发展中,新材料又是支柱、动力和先导,可以说新材料是新经济的“基础之基础”。因此,新材料正受到世界各国,尤其是发达国家的高度重视,得到了全球科学家的特别青睐。发达国家为抢占新材料技术的战略高地,纷纷制定出相关战略计划并投入巨资。
 
美国政府一直将材料科学和技术列为重要的研究领域,自2001年以来,政府对纳米研发的投入增加了83%,2004财政年度的研发预算近8.5亿美元,比上一财年增加10%。2003年12月美国总统布什在白宫签署了《21世纪纳米技术研究开发法案》,批准联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元,用于促进纳米技术的研究开发。
 
日本政府从2001年起实施为期7年的“纳米材料工程”计划,这个计划每年的投资额为50亿日元,同时设立纳米材料研究中心,把纳米技术列入新5年科技基本计划的研究开发重点。2003年10月日本经济产业省成立了包括东丽、日立、三菱商事、岛津制作所等在内,共有268家大型企业参加的纳米技术商务推进协会,促进纳米技术研究成果的产业化。
 
韩国政府于1999年制定了下一代新技术计划——高性能纳米复合材料计划,这是一项与“21世纪前沿研发计划”相关的计划。计划分三个阶段,每个阶段3年,第一阶段(1999~2002):开发纳米材料的合成和组装技术;第二阶段(2002~2005):纳米材料核心技术应用;第三阶段(2005~2008):纳米材料的商业化。韩国科技部的“2002年度纳米技术开发计划”投入2031亿韩元的政府预算,并决定在未来10年内投入14800亿韩元的资金,用以大力开发纳米技术。
2003年9月,欧盟科研总司召集专家共同探讨材料学的未来发展,决定着力推动十大材料研究领域的发展,它们分别是催化剂、光学材料和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生学、纳米生物技术、超导体、复合材料、生物医学材料以及智能纺织原料。
 
、结束语
面对世界新材料研究大发展的浪潮,对于中国这样一个大国,大力发展新材料研究是必须迎接的挑战,也是一次机遇。如果我国的新材料研究上不去,它就可能成为影响我国新材料产业发展的严重障碍。有利的条件是在863计划(国家高技术研究发展计划)、973计划(国家重点基础研究发展计划)的支持下,我国新材料研究的发展已有了坚实的基础,近年来不断取得的高水平成果就是明证。投资2.5亿元,定位于前瞻性的、具有重要应用前景的纳米科学与技术基础研究的国家纳米科学中心也于2003年3月成立。目前我国正在制订的国家中长期科学技术规划中,所设立的20个战略专题中,有制造业发展科技问题、国防科技问题、战略高技术问题、基础科学问题等七个专题与材料科技密切相关。仅这一点,足以使材料科技的重要性表现无遗。抓住机遇和挑战,大力发展新材料研究,不失时机的做好各方面的工作,使其有重大的发展。在继续发展高性能新型结构材料的同时,应重视研究与开发具有各种优异物理、化学、生物性能等功能材料。

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