世界新材料領(lǐng)域2021年態(tài)勢總結

人工智能、機器學(xué)習等技術(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)構建了一種新的、易于使用的工具，通過(guò)識別材料的新特征，加快科學(xué)家發(fā)現可發(fā)生金屬-絕緣體轉變材料的速度。美國麻省理工學(xué)院通過(guò)機器學(xué)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(jìn)程。美國西北大學(xué)和豐田研究所成功應用機器學(xué)習指導新納米材料的合成，消除與材料發(fā)現相關(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(kāi)發(fā)基于機器學(xué)習和計算得出的描述符的系統，可用于尋找特殊種類(lèi)的催化劑且準確性極高。

各國關(guān)注材料回收、二氧化碳轉化制取清潔能源的技術(shù)，推動(dòng)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)合其他機構開(kāi)發(fā)了一種工藝，通過(guò)回收廢棄混凝土并將其與捕獲的二氧化碳結合來(lái)制造新的碳酸鈣混凝土。美國勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗室利用新技術(shù)改進(jìn)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(xué)在室溫下使用液態(tài)鎵將二氧化碳轉化為氧氣和高價(jià)值的固體碳產(chǎn)品，未來(lái)可用于電池、建筑或飛機制造。

前沿新材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展，推動(dòng)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復合材料ZT-CFRP，其不僅比傳統鋁制結構輕，比鋼更堅固，且與傳統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(xué)、香港城市大學(xué)和韓國IBS低維碳材料中心共同開(kāi)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(shí)現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(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(xiàn)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(gè)軟體機器人進(jìn)行演示實(shí)驗。

世界新材料領(lǐng)域2022年趨勢展望

關(guān)鍵原材料供應安全受到全球關(guān)注，美西方欲構建關(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(wàn)美元，用于開(kāi)發(fā)新技術(shù)，以確保構建清潔能源技術(shù)所需的關(guān)鍵材料供給，旨在使稀土和鉑族元素的供應多元化，開(kāi)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》報告，指出“五眼聯(lián)盟”國家應加強與格陵蘭島的戰略合作，增加對盟國關(guān)鍵礦產(chǎn)資源的供應，并減少對“稀土壟斷大國”中國的依賴(lài)。美國、加拿大、澳大利亞共同啟動(dòng)“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(lái)源”，從而在全球向清潔能源時(shí)代轉型過(guò)程中，弱化中國在全球稀土供應鏈的領(lǐng)導地位。為此，美國稀土公司致力于開(kāi)發(fā)在哈德斯佩思縣的“圓頂”（Round Top）礦區項目，該項目將于2022-2023年投入運營(yíng)，采礦率估計為每天2萬(wàn)噸，而所有的礦物加工將在現場(chǎng)進(jìn)行。

各國繼續加強新材料布局，推出多項新材料研發(fā)計劃，以支撐未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國國家科學(xué)基金會(huì )發(fā)布2021年版“通過(guò)材料設計以變革我們的未來(lái)”（DMREF）計劃，擬強化跨領(lǐng)域、跨機構間合作，并向25個(gè)研究項目資助4000萬(wàn)美元。此外，美國國家科學(xué)基金會(huì )還啟動(dòng)了“新興量子材料與技術(shù)”（EQUATE）5年期研究計劃，資助額度為2000萬(wàn)美元。美國白宮科技政策辦公室和國家納米技術(shù)協(xié)調辦公室發(fā)布《2021年國家納米技術(shù)倡議（NNI）戰略計劃》，提出未來(lái)5年具體目標和行動(dòng)，以吸引全美各界參與，確保美國在納米材料發(fā)現、轉化、相關(guān)產(chǎn)品制造方面繼續處于世界領(lǐng)先地位。日本內閣府公開(kāi)發(fā)布《材料創(chuàng )新力強化戰略》，提出到2030年應重點(diǎn)推進(jìn)4項具體舉措，即整合以數據為基礎的材料研發(fā)平臺、重要材料技術(shù)和應用領(lǐng)域的戰略性推進(jìn)、構建材料創(chuàng )新生態(tài)系統、積極培養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”，并設立先進(jìn)材料指導委員會(huì )，就先進(jìn)材料相關(guān)問(wèn)題向政府提出有關(guān)政策和方案的制定和修訂建議，確立目標和優(yōu)先事項。

各國加快推動(dòng)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《國家鋰電池藍圖2021-2030》報告，提出未來(lái)10年打造美國本土鋰電池供應鏈的五大主要目標和關(guān)鍵行動(dòng)。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(yáng)極，將充電速度提高10倍，且不會(huì )導致電池損壞或縮短其使用壽命，預計2022年將進(jìn)一步改進(jìn)陽(yáng)極，使其能夠應用于能源電網(wǎng)、需要快速充放電的電動(dòng)機器或電動(dòng)重型運輸領(lǐng)域。美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校開(kāi)發(fā)了一種高度穩定、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(dòng)汽車(chē)以及存儲風(fēng)能、太陽(yáng)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，預計將比P型硫化錫薄膜表現出更高的轉換效率，計劃在2022年開(kāi)展相關(guān)驗證實(shí)驗。