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2002年材料基础研究领域综述

供稿人:马春  供稿时间:2004-6-24   关键字:新材料  2002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。
 
2002年,国际材料基础研究领域取得了不少新成果和突破性进展。超导材料、纳米材料、信息材料等方面均有不少世界水平的发现与发明出现,引起世界轰动。这些新成果吸引了科技界、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、开发和产业化热点。本文对此进行了综合评述。
 
一、纳米材料研究取得重大进展
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。2002年,纳米材料取得了引人注目的成就。例如,长碳纳米管束制造新法的发现、原子级硅记忆材料的研制、从碳纳米管阵列中拉出长线新方法等的问世,充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用中的巨大潜力。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予各个领域带来一场革命”。
 
1、科学家开发出长碳纳米管束制造新法
拥有众多奇特性能的碳纳米管,近年来受到科学界的普遍青睐,但利用传统方法制造出的碳纳米管束长度通常只有几十微米,其应用开发受到局限。2002年5月,由中美科学家组成的研究小组在这一领域取得了突破,《科学》杂志报告了他们的研究情况。
 
中美科学家在合成碳纳米管常用的化学气相淀积法中加入氢和另外一种含硫化合物后,不仅制造出长碳纳米管束,而且发现这些碳纳米管束可由单层碳纳米管通过自我组装而有规律地排列组成。研究人员认为,新方法作为一种更为简便的替代工艺,也许还可以用来生产高纯度的单层碳纳米管材料。这一成果是向制造可用于电子设备的微型导线等迈出的重要一步。
 
2、纳米存储材料新进展,原子级硅记忆材料研制成功
2002年9月,美国威斯康星州大学的科研小组在《纳米技术》杂志上发表研究报告,宣布他们在室温条件下,通过操纵单个原子研制出原子级的硅记忆材料,其存储信息的密度是目前光盘的100万倍。这是纳米存储材料技术研究的一大进展。
 
新的硅记忆材料与目前硅存储材料存储功能相同,不同之处在于,前者为原子级体积,利用其制造的计算机存储材料体积更小、密度更大,这可使未来计算机微型化,且存储信息的功能更为强大。目前研究人员还只是在平面上进行单个原子操作研制硅记忆材料,未来可望在三维立体空间进行类似的试验。
 
3、从碳纳米管阵列中拉出长线新方法问世
2002年10月,我国科学家首创从碳纳米管阵列中拉出连续长线的方法,为碳纳米管的应用开辟了全新的领域。2002年10月25日出版的英国《自然》杂志介绍了这项成果。
 
清华大学姜开利博士等人从生长在硅基底上的几百微米高的碳纳米管阵列中拔出一束碳纳米管时,得到了一根长30厘米、宽200微米的纯碳纳米管线,同时发现只有那种被称为“超顺排”的碳纳米管阵列才可以直接拉出线来。拉出来的线放大后看是一层很薄的膜,由很多几百纳米粗的细丝平行排列组成。研究人员进而又完善和发展了一套研制“超顺排”碳纳米管阵列的新工艺,并已用抽得的碳纳米管线成功制备出灯丝和紫外偏振片。
 
二、超导材料研究有新的突破
世界超导界刚走过不平凡的一年。从世界首次研制成功二硼化镁超导薄膜材料,到大体积SmBCO超导单晶体研制成功,在超导基础理论研究和超导材料的开发和应用方面,均取得可观进展。可以预料,正像光纤的发明催生出崭新的信息时代,超导材料也必将带来电力工业史上划时代的革命。
 
1、世界首次研制成功二硼化镁超导薄膜材料
2002年9月,美宾夕法尼亚州立大学物理学家郗小星,在世界上首次成功制成大电流二硼化镁超导薄膜材料。《自然材料》杂志发表了他的新发明,该期刊称这是二硼化镁超导材料发展过程中的决定性一步。超导先驱、美国科学院院士罗威尔在评论该项成果时说:“尽管二硼化镁超导临界温度为37K左右,但二硼化镁实际工作温度为20K至25K,对于由小型、高效和相当便宜的低温冷却剂冷却的超导器件来说,20K温度是十分吸引人的温度。”
 
他们的成果接近于最好的块状超导材料,且工艺简单。他们用二硼化镁制成的高质量薄膜材料不仅拥有平坦的表面,而且薄膜可载送1000万安培/平方厘米的大电流。
 
2、大体积SmBCO超导单晶体研制成功
2002年11月,上海交通大学物理系超导晶体生长实验室研制成功了世界上最大体积的高温超导单晶体SmBCO。它无论尺寸还是超导临界转变温度,都可与世界上已知的体积最大的YBCO及NdBCO高温超导单晶体相媲美。这一成果标志着我国高温超导体RE123晶体生长研究已经达到该领域的世界先进水平。
 
氧化物高温超导体材料是新世纪最有前途的材料之一,超导单晶体生长对理论和应用研究都具有重要意义。在理论研究方面,氧化物单晶体具有复杂的原子结构和强烈的各向异性,能提供可靠的测试数据,从而决定物理、化学和结构的性能,最终导致正确地理解和揭示超导电性机制。在材料应用方面,高温超导单晶体是PVD、CVD同质外延生长超导薄膜的优质衬底材料。
 
三、信息材料研究取得突破
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。2002年信息材料取得了相当大的突破,其中以分子电子材料的制造成功、在硅片上制造更精细结构的“激光辅助直接刻印技术”的研究、高介电常数薄膜材料铝酸镧和镧铝氧氮的发明以及超磁性能纳米复合材料的研制等尤其具有代表性。
 
1、分子电子材料制造成功
2002年4月,日本富士通研究所开发成功一种能把有机分子和金属原子组合在一起的分子电子材料,其工作速度比现在的硅半导体要高百倍。据此间《日经产业新闻》报道,这种材料是由于芳香族的有机分子和2个镍原子构成的,其结构是一个有机分子里固定2个镍原子。
 
这家研究机构认为,新材料能改变电子的状态,因而能存储信息,如果使用导电性聚合物在新材料上制作线路,就有可能读出存储在它上面的信息,因此它可望用来制作高集成度的电子元件,如超高速光开关元件及超高密度存储器等。
 
2、在硅片上制造更精细结构新技术研究
2002年6月,英国《自然》杂志报道,美国普林斯顿大学的一个研究小组研制出一种被称为“激光辅助直接刻印”的新技术。应用它可以在硅片上制造出更精细的结构,它的原理与日常生活中用模子在巧克力表面刻上花纹、雕版印钞技术或制造激光唱片技术十分相似。
 
数十年来,集成电路产业一直按照摩尔定律发展,但由于制造技术的原因,芯片集成度的提高会遇到不可逾越的困难。现行采用的“光刻法”最好的只能制造130纳米的结构。普林斯顿大学研究者发明的新技术则可以在硅片上制造出10纳米的结构,能够在同一个芯片尺寸上制造出比现在多100倍的元件。
 
3、高介电常数薄膜材料研究取得进展
2002年10月,摩托罗拉中国研究院、中国科学院物理研究所和南京大学共同研究发明了两种高介电常数薄膜材料:铝酸镧(LAO)和镧铝氧氮(LAON)。作为二氧化硅的潜在替代品,这两种材料可使半导体器件的尺寸在缩小到65纳米或更小时,继续遵从“摩尔定律”,在对现有设备进行一定工艺流程改造后,能生产出更小、更快的芯片。
 
氧化物薄膜材料通常具有较高的介电常数,但大多数要么热力学不稳定,要么伴随硼或磷掺杂剂的扩散问题,实际应用受到很大限制。然而此次发现的铝酸镧和镧铝氧氮,在所有候选高介电常数材料中具有最好的热稳定性,可以很经济地集成到传统半导体工业中。
 
4、首次合成超磁性能纳米复合材料
11月28日出版的英国《自然》杂志报道了五位美国华人学者的最新研究成果:用双元纳米颗粒自组装成具有超常磁性能的复合材料。研究小组在双元纳米颗粒材料中,巧妙地利用具有硬磁性和软磁性的FePt和Fe3O4纳米颗粒进行有序自组装,然后通过控制烧结将其转化为具有“交换-耦合型”的纳米复合物。这种纳米复合材料具有20.1MGOe的磁能积,高出各向同性无耦合单相FePt磁能积的理论极限值(13MGOe)50%。
这一成果在先进永磁材料的应用上有着巨大的潜力,它也能用于其他多组分系统中。它不仅为研究纳米颗粒间的相互作用与纳米结构的关系提供了一个很好的体系,而且为合成功能纳米复合物以及纳米器件开辟了一条有效的途径。
四、其它新型材料亦有大发展
2002年新型材料研究在其它领域也取得了较大的进展,其中包括新型生物材料的研制,可伸缩自如新材料的问世等。
1、用丝蛋白培养软骨细胞——生物材料研究取得重大进展
2002年3月,日本京都大学和东邦大学的科学家使用蚕茧的丝蛋白开发出高效率培养软骨细胞的技术,可望为治疗关节炎等疾病提供更适宜的生物材料。
科学家把丝蛋白溶解在水里,并加工成海绵状,然后把从兔子关节上取出的软骨细胞“种植”在上面,在37摄氏度的温度下进行培养。2周之后,丝蛋白的表面便再生出软骨组织,虽然结构尚不完全。科学家们说,这种方法与使用骨胶原相比,细胞的繁殖能力更强,所生成组织的强度提高了大约10倍。在医疗上,丝蛋白已被用来制造缝合伤口的丝线,在人体内不会引起排异反应。
2、可以伸缩自如的新材料问世
日本东京大学伊藤三助教授和科学技术振兴事业团的奥村泰志研究员2002年8月成功开发出一种可以伸缩自如的新材料,这种材料伸缩性非常好,而且不容易损坏,用途更是相当的广泛。
根据《日经产业新闻》报导,这种被研究人员称为胶体的新材料是一种半固体物质,无色透明。把此合成聚合物的水分含量提高至80%,则体积可以变成原来的8倍,由于其弹性好,即使体积膨胀到原来的一百甚至于一千倍,其网状分子结构也不会破坏。由于半固体状态,这种材料可以灌注到模型里面,加以塑造后变成所想要变成的形状。它吸水性很强,将来有可能替代隧道工地堵水用土。
五、结束语
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”。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。
面对世界材料基础研究大发展的浪潮,对于中国这样一个大国,大力发展材料基础研究是必须迎接的挑战,也是一次机遇。如果我国的材料基础研究上不去,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、973计划支持下,我国材料基础研究的发展已有了坚实的基础。抓住机遇和挑战,大力发展材料基础研究,不失时机的做好各方面的工作,使其有重大的发展。

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