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材料是新一代高新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是新工業(yè)革命的物質(zhì)保障。新材料技術(shù)與納米技術(shù)、生物技術(shù)、信息技術(shù)相互融合，結(jié)構(gòu)功能一體化、功能材料智能化等發(fā)展趨勢日趨顯現(xiàn)。世界各國紛紛在新材料領(lǐng)域制定出臺相應(yīng)的戰(zhàn)略規(guī)劃，竭力搶占新材料產(chǎn)業(yè)的制高點。目前，發(fā)達國家仍在國際新材料產(chǎn)業(yè)中占據(jù)領(lǐng)先地位，世界上新材料科技及行業(yè)龍頭主要集中在美國、歐洲和日本。美國仍然是新材料領(lǐng)域全面領(lǐng)先的國家，歐盟和日本等則各自擁有自己優(yōu)勢方向。在基礎(chǔ)及應(yīng)用研究方面，從設(shè)計開發(fā)、材料制備、性質(zhì)表征、成果應(yīng)用的鏈條看，近年來材料領(lǐng)域取得了一系列原創(chuàng)性成果和先進適用技術(shù)，以增材制造為代表的先進制造技術(shù)也實現(xiàn)了眾多令人振奮的突破。

美國在材料領(lǐng)域的目標是保持全球領(lǐng)先地位，并支撐信息技術(shù)、生命科學(xué)、納米技術(shù)和環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，滿足國防、能源、電子信息等對材料的需求。以能源部、國防部、商務(wù)部（國家標準與技術(shù)研究院）、國家科學(xué)基金會和國家航空航天局等機構(gòu)的大型研發(fā)計劃為牽引，推動高校、研究機構(gòu)和企業(yè)在材料領(lǐng)域的研發(fā)工作。

2011年起，美國開始實施“材料基因組計劃”，旨在通過以比現(xiàn)在快一倍的速度以及足夠低的成本，加快新材料從發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新、制造到商業(yè)化的步伐?，F(xiàn)已有六家聯(lián)邦機構(gòu)參與，開創(chuàng)性研究的資助逾4億美元，合作伙伴遍及產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界。2012年美國政府啟動國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)已建成14家研究所，在材料領(lǐng)域涉及輕質(zhì)金屬、復(fù)合材料、纖維紡織、可持續(xù)材料制造等。2018年7月，美國白宮發(fā)布“2020財年行政機構(gòu)研發(fā)預(yù)算優(yōu)先事項”備忘錄，提出要開發(fā)先進材料及相關(guān)加工技術(shù)，包括高性能材料、關(guān)鍵材料和增材制造等。

美國制造業(yè)前瞻聯(lián)盟MForesight是美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）會同國家科學(xué)基金會（NSF）牽頭組建的制造領(lǐng)域高端智庫。2018年4月和9月，該智庫先后發(fā)布主題為超材料和高熵合金的“通向工業(yè)競爭之路”系列報告，建議設(shè)立全國性超材料制造研究計劃，加強對關(guān)鍵原料的支持，建設(shè)超材料制造卓越中心；同時，通過投資推動高熵合金制造關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)化研究，建立國家測試中心及中央數(shù)據(jù)庫。

歐盟及其成員國在科技發(fā)展戰(zhàn)略中，盡管各自側(cè)重點有所差異，但都把生命科學(xué)與生命技術(shù)、信息通信技術(shù)、納米技術(shù)、能源等作為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略領(lǐng)域，材料在其中均占有重要地位。

2011年，包括先進材料在內(nèi)的六大技術(shù)被確定為歐盟工業(yè)的關(guān)鍵使能技術(shù)（Key Enabling Technologies，KETs）。而加強六大關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新，確保世界領(lǐng)先水平，關(guān)系到歐盟工業(yè)的生存和未來競爭力。2018年4月，歐盟確定了新的關(guān)鍵使能技術(shù)，先進材料依舊在列。歐盟“未來和新興技術(shù)旗艦項目”是一項長期的科研扶持項目，是歐盟科技發(fā)展扶持政策的重要組成部分。石墨烯作為首批入選的兩個方向之一，設(shè)有13個重點研發(fā)方向，獲得持續(xù)10年總共10億歐元的資助。2018年6月，歐盟委員會發(fā)布了2021—2027年科研資助框架“地平線歐洲”的實施方案提案。作為“地平線2020”的接續(xù)，該計劃的臨時預(yù)算約1000億歐元，再創(chuàng)新高。先進材料位列“數(shù)字與工業(yè)”涉及的九大領(lǐng)域之一，重點關(guān)注具有新特性和新功能的材料設(shè)計（包括塑料、生物材料、納米材料、二維材料、智能材料和復(fù)合材料等）。

德國政府近年來推出了高技術(shù)戰(zhàn)略、工業(yè)4.0等來引領(lǐng)材料技術(shù)的發(fā)展。如2018年9月出臺的《高科技戰(zhàn)略2025》涵蓋7大重點領(lǐng)域和12項任務(wù)，為德國未來七年高科技創(chuàng)新制定了目標。該戰(zhàn)略在涉及材料的部分指出，將通過3D打印或有效利用資源，智能地設(shè)計和使用材料。2019年2月，德國聯(lián)邦經(jīng)濟事務(wù)與能源部發(fā)布《國家工業(yè)戰(zhàn)略2030》草案，旨在有針對性地扶持重點工業(yè)領(lǐng)域，提高工業(yè)產(chǎn)值，保證德國工業(yè)在歐洲乃至全球的競爭力。與材料相關(guān)的鋼鐵銅鋁、化工、增材制造（3D打?。┑仁畟€工業(yè)領(lǐng)域被列為“關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域”。

英國作為老牌工業(yè)國家，近年來頒布的新版工業(yè)戰(zhàn)略、量子技術(shù)戰(zhàn)略和高價值制造等政策規(guī)劃都把材料、納米及制造等作為重大技術(shù)進行大力發(fā)展。以石墨烯為例，英國財政大臣曾提出，石墨烯不僅要“在英國發(fā)現(xiàn)”，更要實現(xiàn)“在英國制造”，并先后在曼徹斯特大學(xué)建起了石墨烯工程創(chuàng)新中心和國家石墨烯研究院。

自本世紀初期開始，日本通常在每年的6月前后發(fā)布《制造業(yè)白皮書》，其內(nèi)容非常豐富，是深入了解日本制造業(yè)的參考資料。2017年6月，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省發(fā)布的《制造業(yè)白皮書2017》提出要維持并提升日本制造業(yè)本土化，日企已開始放緩在中國設(shè)立生產(chǎn)基地，從中國轉(zhuǎn)移至東盟以及部分回流日本的趨勢較為明顯。2018年5月發(fā)布的《制造業(yè)白皮書2018》認為，當(dāng)前是一個“非連續(xù)創(chuàng)新”的階段，可通過自動化與數(shù)字化融合的解決方案來獲取更高的附加值。新版的白皮書還強調(diào)了“互聯(lián)工業(yè)”（Connected Industries）的概念，突出“工業(yè)”的核心地位，并作為日本制造的追求目標。

日本內(nèi)閣政府在歷期科學(xué)技術(shù)基本計劃中，都會涉及材料的發(fā)展。如《第五期科學(xué)技術(shù)基本計劃（2015—2020）》提出打造“超智能社會（5.0社會）”，優(yōu)先推進包括“綜合型材料開發(fā)系統(tǒng)”在內(nèi)的11項系統(tǒng)建設(shè)工作，圍繞機器人、傳感器、生物技術(shù)、納米技術(shù)和材料、光量子等創(chuàng)造新價值的核心優(yōu)勢技術(shù)，并設(shè)定富有挑戰(zhàn)性的中長期發(fā)展目標。日本材料產(chǎn)業(yè)以工業(yè)政策為導(dǎo)向，目標是占有世界市場，因而選取的重點是市場潛力巨大和附加值高的新材料領(lǐng)域，爭取盡快專業(yè)化、工業(yè)化，并在先進鋼鐵、電子信息材料、陶瓷材料和碳纖維等領(lǐng)域占據(jù)國際領(lǐng)先地位。

美國能源部利用擁有的超快科學(xué)裝置，資助材料、化學(xué)等領(lǐng)域的研究，在原子和分子尺度上，通過更好地逐步觀察和控制物質(zhì)行為，加速新材料和化學(xué)過程的發(fā)現(xiàn)；還通過資助相關(guān)軟件開發(fā)，推動基于計算建模的化學(xué)過程設(shè)計。英國法拉第電池研究所引入超級計算機，無需制造大量原型來測試每種新材料或者電池組件，就能提升電池研究項目的研發(fā)速度。哈佛大學(xué)開發(fā)了一種基于量子力學(xué)方程的算法，根據(jù)晶體化學(xué)元素預(yù)測材料的電子傳輸特性，無需實驗輔助，即可在幾個月內(nèi)發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化熱電材料。美國休斯頓大學(xué)設(shè)計出新的算法，加速尋找用于LED照明的高效熒光材料，使LED更高效、色彩質(zhì)量更佳。

常見的鈣鈦礦材料主要有無機和有機無機雜化兩類，均含有金屬元素，增加了加工、制備的困難。東南大學(xué)等機構(gòu)利用帶電分子基團取代無機離子，首次制備得到全有機的無金屬鈣鈦礦鐵電體，性能可與傳統(tǒng)無機鈣鈦礦材料相媲美，為鈣鈦礦家族增添了新成員。美國桑迪亞國家實驗室開發(fā)出一種由90%鉑金和10%黃金組成的耐磨新材料，堪稱目前最耐磨的金屬合金，比高強度鋼耐用100倍，與自然界鉆石及藍寶石等的耐磨度處于同一級別。中國科學(xué)院金屬研究所與東京大學(xué)、重慶大學(xué)等合作，將掃描透射電子顯微技術(shù)與第一性原理理論計算相結(jié)合，在薄膜陶瓷材料中發(fā)現(xiàn)了區(qū)別于晶體、準晶體和非晶體的新結(jié)構(gòu)：一維有序結(jié)構(gòu)（一維有序晶體），更新并深化了人們對固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識。美國馬里蘭大學(xué)通過去除原生木材的木質(zhì)素，并在100℃進行熱壓處理，制得的超級木頭拉伸強度達587 MPa，可與鋼材媲美，其比拉伸強度高達451 MPa cm³/g，超過幾乎全部的金屬，展現(xiàn)出未來結(jié)構(gòu)材料之星的巨大潛力。

在各種材料中，很多屬性往往由于相互沖突而無法兼顧。2018年，研究人員在金剛石、碳纖維、合金等領(lǐng)域取得了突破，實現(xiàn)從“不可兼得”到“可兼得”的轉(zhuǎn)變。香港城市大學(xué)與美國麻省理工學(xué)院、新加坡南洋理工大學(xué)等合作研制出一種單晶納米金剛石，兼具高彈性與高強度：彈性形變可達9%，強度接近理論極限的89~98GPa，而一般的體相金剛石拉伸強度不足10 GPa。市場對碳纖維的需求是能同時具有更高的拉伸強度和拉伸模量。日本東麗工業(yè)株式會社開發(fā)出碳纖維M40X，其拉伸強度在M40J的基礎(chǔ)上提升了約30%，達到5.7 GPa，拉伸模量則保持不變（377 GPa）。這是世界范圍內(nèi)首次以這一水平量產(chǎn)兼顧兩種功能的碳纖維。北京科技大學(xué)以等原子比TiZrHfNb高熵合金為模型合金，通過添加適量的氧，發(fā)現(xiàn)間隙原子在合金中還有一種尚未被發(fā)現(xiàn)的存在狀態(tài)，不僅能提高合金強度，還可以大幅提高合金塑性，打破了對間隙固溶強化的傳統(tǒng)認知。

材料性質(zhì)研究還有一些典型進展。實現(xiàn)自旋構(gòu)型與材料結(jié)構(gòu)的原子尺度協(xié)同定量表征，是理解、預(yù)測與調(diào)控磁性材料物理性質(zhì)的關(guān)鍵。清華大學(xué)與德國、日本機構(gòu)合作，應(yīng)用色差校正透射電子顯微學(xué)技術(shù)，在國際上首次通過實驗手段獲得了材料內(nèi)部原子面分辨的磁圓二色譜，并基于實驗結(jié)果定量計算出每一層原子面原子的軌道自旋磁矩比。美國麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和日本國立材料科學(xué)研究所組成的聯(lián)合團隊研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層石墨烯以特定的1.1°角度旋轉(zhuǎn)扭曲在一起時，在電場作用下會展現(xiàn)出非常規(guī)超導(dǎo)性質(zhì)，這意味著可通過簡單方式實現(xiàn)絕緣體與超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。中科院物理所與合作者利用極低溫-強磁場-掃描探針顯微鏡聯(lián)合系統(tǒng)，首次于相對高的溫度下，在鐵基超導(dǎo)體FeTe_0.55Se_0.45中觀察到純的馬約拉納束縛態(tài)，這預(yù)示著其他多能帶高溫超導(dǎo)體也可能存在馬約拉納任意子，為馬約拉納物理研究開辟了新的方向。

減少功耗是當(dāng)前集成電路發(fā)展的主要趨勢，其中最有效的途徑即為降低工作電壓。北京大學(xué)將具有特定摻雜的石墨烯作為冷電子源，碳納米管作為有源溝道，研制出新型狄拉克源場效應(yīng)晶體管，達到了國際半導(dǎo)體發(fā)展路線圖對相關(guān)器件實用化的標準要求，有望將集成電路工作電壓降到0.5 V甚至更低，為3 nm技術(shù)節(jié)點提供解決方案。調(diào)制器是光電子行業(yè)的重要組成部分，鈮酸鋰是制備調(diào)制器的最佳材料之一，哈佛大學(xué)、香港城市大學(xué)等利用電子束刻蝕和Ar⁺基反應(yīng)離子刻蝕等先進納米制造方法，克服了傳統(tǒng)化學(xué)刻蝕不能形成光滑表面的弊端，并改善了鈮酸鋰化學(xué)惰性限制，研制出的微型片上鈮酸鋰調(diào)制器體積更小、運行效率更高、數(shù)據(jù)傳輸速度更快，與當(dāng)前CMOS電路兼容集成，且無需用到電子放大器。加拿大阿爾伯塔大學(xué)利用原子級電路制造技術(shù)，快速去除或替換單個氫原子，使得存儲器可被重寫，研制出迄今為止儲存密度最高、可在室溫工作的固態(tài)存儲器，存儲能力比當(dāng)前計算機存儲設(shè)備提高了1000倍，可在25美分硬幣大小的表面存儲4500萬首歌曲。

借助新材料、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，以增材制造（3D打?。榇淼南冗M制造技術(shù)取得大量新的進展，多材料、多工藝成為重要方向。美國南加州大學(xué)利用3D打印構(gòu)建出能阻擋聲波和機械振動的特殊超材料，可通過磁場遠程控制開關(guān)，有望用于噪聲消除、振動控制和聲波隱形。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制出一種由導(dǎo)電材料和紙張制成的紙質(zhì)機器人，當(dāng)施加電流時可以折疊或展開。美國加州大學(xué)圣克魯茲分校、勞倫斯利佛莫爾國家實驗室利用可印刷石墨烯氣凝膠構(gòu)建裝有贗電容材料的多孔三維支架，研制出的超級電容器具有當(dāng)前最高的面積電容（每單位電極表面積存儲的電荷），質(zhì)量負載提升到超過100 mg MnO₂/cm²的記錄水平且不影響性能，而商用設(shè)備的常規(guī)水平約為10 mg/cm²。