超材料产业发展思考与建议

摘要:超材料是由人工结构构成、具有自然材料所不具备的超常性质的人工材料,有望获得与自然物质性质迥异的“新物质”,为诸多应用领域提供了变革性技术支撑;超材料的新原理、新功能实现处于爆发期,相关产业链开始萌生,而产业化、工程化进入瓶颈期,超材料当前所处的特殊阶段恰是国家战略介入的机遇期。本文总结了超材料的概念演进过程,从国际、国内两方面概要梳理了超材料的研究进展及发展趋势,从产业化方向、产业链格局、产业发展策略三方面系统凝练了超材料的产业化进展。进一步辨识了超材料产业发展面临的挑战,突出体现在制备技术、测试与表征技术、工程化技术、产业链、研发人才等方面,从人工智能(AI)技术在超材料设计中的应用、超材料在AI技术演进中的应用两方面展望了AI 技术为超材料产业带来的新发展机遇。为此建议,以重点应用需求为牵引进行重大项目布局,建设国家级超材料制备、大数据与设计平台,组建国家级创新联合体并促进跨学科人才培养,在中长期尺度上精准推进我国超材料产业高质量发展。

高端新材料智能制造的发展机遇与方向

摘要:发展智能制造是我国制造业创新升级的主攻方向,高端新材料是支撑高端装备和重大工程需求的核心材料,推动智能制造与高端新材料制造紧密结合,对提升高端新材料制造能力,满足重大装备对高端新材料的需求,具有重要意义。本文深入分析了高端新材料智能制造的必要性,在分析面向高端新材料的高性能制造、复杂构件的整体化与轻量化制造、高端构件的一体化与低成本绿色制造等特征基础上,总结了传统“试错法”研发模式在材料制造领域遇到的主要问题与挑战,分析了数据驱动的高端新材料智能制造研发模式带来的重大变革与机遇,并以材料智能加工成形为例,全面梳理了亟需发展的共性关键技术及其发展方向。本文从加强关键技术研究、构建创新体系、创新学科交叉人才培养和加快成果转化等方面,提出了加快发展高端新材料智能制造的对策建议,以缩短与国外先进水平的差距,支撑我国材料产业的升级换代和跨越式发展。

面向新兴产业和未来产业的新材料发展战略研究

摘要:新材料是新兴产业和未来产业发展的根基,是抢占科技和经济发展制高点的重要领域,也是我国推进新型工业化的重要驱动力。本文梳理了新材料在信息、能源、生物、深空与深海探测等领域的发展趋势,发现新材料联用或与其他学科、领域的深度融合正在成为新材料发展的重要特点;系统分析了我国新材料产业在规模、技术创新能力、企业和集群等方面的发展现状,总结了新材料产业发展存在的关键原材料依赖进口、核心装备尚未实现自主可控、高端产品自给率不高、部分重点产品缺乏应用迭代、标准和评价体系不完善等问题;提出了面向新兴产业亟需发展的9 个重点方向以及面向未来产业亟需布局的7 个重要方向。为推动新材料产业的高质量发展,研究建议:着力筑牢新材料产业发展根基,扎实提升新材料产业链水平,营造良好的产业发展生态环境,完善产业发展配套政策。

纳米酶

摘要:纳米酶(Nanozymes)是由我国科学家首次提出的新概念,它是一类具有生物催化功能的纳米材料,能够基于特定的纳米结构催化天然酶的底物并作为酶的代替品。自2007年首次报道以来,全球已有来自于55个国家的420多个研究机构证实了纳米酶的普遍规律。纳米酶的发现第一次揭示纳米材料蕴含一种独特的纳米效应——类酶催化效应。纳米酶作为一种新材料,既有纳米材料本身的理化性质,又有类似酶的催化功能,兼具天然酶与人工酶的优势于一身。其中,纳米结构不仅赋予纳米酶高效催化功能,而且使纳米酶比天然酶稳定,易于规模化生产。另外,纳米酶独特的多酶活性将为设计廉价、稳定、各种各样全新的催化级联反应提供功能分子。纳米酶是多学科交叉融合的典范, 2022年被IUPAC评为十大化学新兴技术。在全球从事化学、酶学、材料学、生物学、医学、理论计算等多领域科学家的共同推进下,如今纳米酶已经成为新的研究热点。我国科学家在这一新兴领域一直发挥着引领作用,解析了纳米酶的构-效关系,将其催化活性提高了约1万倍,实现了超越天然酶的理性设计,创造了全球首个纳米酶产品,出版了纳米酶学英文专著,发布纳米酶术语及中国/国际标准化。更可喜的是,纳米酶新领域汇集了一大批多学科交叉融合的优秀青年科学家,推动纳米酶进入高速发展阶段,纳米酶的种类已经超过1200多种,其催化机制研究也更加深入,应用研究也从当初的检测逐步拓展到纳米酶催化医学、传感检测、绿色合成、新能源、环境治理等多个领域。本文向读者介绍纳米酶自发现以来的主要进展,包括最近发现的天然纳米酶,期待纳米酶从新概念、新材料衍生出新技术、新产品、新商品,服务人类健康,并带动新学科发展。

液态金属脆化研究进展

摘要:液态金属脆化(Liquid metal embrittlement, LME)是一种固态金属在与液态金属接触后其力学性能显著降低的现象。该现象从发现至今已有近百年历史,但并未引起学界广泛关注,近年来,随着液态金属在医疗设备、电池能源、3D打印、计算等领域的应用以及LME对能源和制造等行业的明显阻碍,LME现象逐渐引起人们的重视。本文综合介绍了LME的特性、影响因素、微观机制以及研究现状,主要从理论研究、实验进展和模拟仿真三个方面对LME展开了讨论,总结了该领域目前存在的问题,并为未来的研究工作提供了建议。

快速凝固理论与技术研究进展

摘要:当前,熔融玻璃包覆、3D打印和电磁悬浮等快速凝固装置已在亚稳材料研究中得到广泛应用。随着快速凝固理论、电子信息及自动化装备技术的创新发展,新一代快速凝固设备正朝着极端制造和高度智能化方向迈进,它们通过集成先进传感器和精密控制系统,以实现对凝固过程的精确控制与定向优化。在此背景下,本文首先从热力学和动力学两个维度总结了快速凝固的理论基础与技术原理,随后系统梳理了实验设备的技术进展,并深入分析其在高性能材料制备中的潜在应用前景,最后对快速凝固材料科学和技术的未来发展及挑战进行了展望。快速凝固技术与凝固理论科学深度融合,与新型材料的研发和制备协同创新,共同构成了亚稳材料科学研究迅猛发展的核心驱动力,这些研究必将共同推动材料科学实现跨越式发展。

团簇-晶核共组装亚纳米材料的研究进展

摘要:亚纳米材料是指特征尺寸至少在一个维度上小于1 nm 的材料。与传统纳米材料相比,亚纳米材料往往有特殊的性能,因而具有广阔的应用前景。清华大学的王训教授课题组实现了在良/不良溶剂体系中制备亚纳米材料,并提出了团簇-晶核共组装策略来实现亚纳米尺度上材料组分的调控。目前,该策略已发展成为制备各种组分亚纳米材料的普适方法。亚纳米材料因超高的比表面积和接近100%的表面原子暴露率而具有快速的电子/离子传输特性,在储能、催化和光热转化等领域中获得了广泛的应用。本文介绍了团簇-晶核共组装策略的概念和亚纳米材料的形成机理,同时,综述了近年来利用团簇-晶核共组装策略制备的亚纳米材料的研究现状,就其合成方法、结构等进行系统的介绍,讨论了这些亚纳米材料在储能、催化、光热转化、有机凝胶等方面的应用,最后提出了亚纳米材料目前面临的挑战和未来的研究方向,旨在为亚纳米材料的设计和精确合成提供新的视角。

紫外光固化抗菌涂料的研究进展

摘要:涂料常用作为保护材料,但由于不同使用环境的影响,微生物沉积不可避免,易导致涂层磨损甚至破坏,因此抗菌涂料在保护基材和减少材料浪费中起着关键作用。本文简要介绍了涂料和紫外光固化技术,回顾了抗菌涂料的优势与不足。根据抗菌剂在光固化涂料中的引入方式,涂料可分为结构型和共混型两类。文章详细讨论了近年来常用的抗菌成分、合成与改性方法及其抗菌效果,并分析了涂层的其他性能(如耐磨性、抗氧化性、防污性)及潜在应用场景。本综述为理解抗菌紫外光固化涂料提供了全面视角,并为涂层合成及性能提升提供了参考,展望了其未来应用前景。

纳米材料复合水凝胶及气凝胶在摩擦电纳米发电机中的研究进展

摘要:摩擦电纳米发电机(TENG)自2012 年由王中林团队提出以来,其因成本优势和广阔应用前景,在能源领域备受关注。TENG的电极系统作为能量转换核心,由摩擦层和导电传输层组成。近年研究聚焦纳米材料等新型电极材料以提升输出性能,但是目前研究较为分散,缺乏系统总结。本文基于TENG工作原理,系统总结了纳米材料、水凝胶及气凝胶等复合材料的性能优势及在TENG 中的应用,通过对比不同策略对导电性、比表面积等参数的提升效果,提出优化水凝胶及气凝胶型TENG性能的关键方向,并展望未来发展趋势,旨在为研究者提供参考。

空间流体润滑材料研究进展

摘要:空间有效载荷的核心传动机构通常没有备份,一旦失效将造成有效载荷功能的丧失。这种单点失效模式使得流体润滑材料成为保证空间活动机构可靠运转的重要材料,因此提升现有空间流体润滑材料的综合性能与开发新的空间高效流体润滑材料,是推进新一代空间载荷活动机构研制的重要途径。本文介绍了目前空间领域广泛应用的流体润滑材料的种类及结构特性,综述了各类型空间流体润滑材料性能的改进提升方法与应用现状等,对现有空间流体润滑材料面临的难点及未来发展方向和趋势进行了展望,以期为高性能空间活动机构的研发与润滑设计提供参考。