材料是人類社會存在和發展的物質基礎，是科技創新和技術進步的先導條件，是決定人們行為方式和生活質量的重要力量。材料在當今世界中的影響和作用越來越強烈，人們把它與信息、能源并稱為新技術革命三大支柱之一。于是，研發材料的新技術，也與信息技術、生物技術等一起，共同構成本世紀世界創新活動潛力最大和最重要的領域。本世紀以來，國外材料領域的科技研發活動如火如荼，進展迅猛，涌現了大量新成果。梳理這些新成果，不僅對我國材料領域科技研發有直接參考價值，而且對“中國制造”向“中國智造”轉變有重要啟迪作用。本文擬對國外本世紀以來材料領域科技活動的進展情況，作一概述，供有關方面參考。
1 研發前沿材料的新進展
1.1.納米材料
研制精密分子結構、分子多面體結構和單分子等分子級納米技術，開發由三個分子組成互鎖分子的分子級納米合成技術，研制納米粒子、納米球、納米管、納米纖維、光控納米閥、可控的納米齒輪等納米產品。特別是，制成高純度長碳納米管、單層碳納米管、雙層碳納米管、高性能超長碳納米管等納米材料，并用碳納米管制成堅硬材料、納米元件基礎材料、類似壁虎腳底的黏合材料等碳納米管系列產品。
1.2.石墨烯
自從成功制成石墨烯之后，又相繼合成它的“表親”---二維材料硅烯和二維材料鍺烯，還用計算機模擬設計出性能勝過石墨烯的石墨炔；并且已經開發出能夠觀察石墨烯單個原子一個一個“搭建”晶體的新技術，以及可以大規模批量生產石墨烯的新方法。目前，已經研制出形狀尺寸可控的石墨烯量子點、彎曲如馬鞍的石墨烯、高質量石墨烯納米帶等石墨烯產品，同時已用石墨烯制成可伸縮晶體管、柔性電路、高靈敏光電探測器、計算機存儲便條，以及納米二沖程發動機等。
1.3.超材料
1.3.1.超硬材料方面，利用化學氣象沉淀法快速制成人造大鉆石，利用人造鉆石創下量子比特存儲時間新紀錄，造出可制超強輕質線纜的超細鉆石納米線。同時，設計出超硬新材料二硼化錸個。
1.3.2.超導材料方面，發現“ 三明治 ”結構鋰硼化合物具有高溫超導現象；發現氮化鈦薄膜同時存在超導與超絕緣現象，發現鈦酸鍶同時具有超導和鐵磁性；發現酒煮鐵碲化合物會產生超導性的機制，揭示石墨烯插層材料的超導機制；發現高溫超導體銅酸鹽超導性改變的原因，發現使絕緣材料鉭酸鉀具有超導性的方法，還發現贗能隙會搶走高溫超導體中的電子。
1.3.3.光學超材料方面，通過改變光路和光速開發負折射光學超材料，研制出具有負折射率的超穎物質，發明有望隱藏坦克等大型物體隱身的光學超材料。同時，研制出能吸收所有光線的高效超材料，設計能讓光彎曲的光學超材料。
1.3.4.其他超材料方面，開發出用超高壓制成的能量密度超大物質，制成能讓熱“彎曲”傳導的熱力學超材料，研制像烏賊皮膚那樣能瞬間改變自己顏色的超材料。
1.4.生物醫用材料
1.4.1.開發可用于生物傳感器的金銀納米粒子，用金納米顆粒制成可探測癌癥的電子鼻，推出能提高心肌導電性的金納米線心臟補丁，通過金納米粒子精確顯示腦部腫瘤的輪廓，開發可把藥物直接送到癌細胞核的金納米粒子。
1.4.2.發現可用來檢測癌癥的硅納米導線，開發能殺死癌變腫瘤的石英納米微粒、用于治療癌癥的磁性納米粒子、能向神經元發送信號的碳納米管，并在碳納米管上繁殖成功骨骼細胞。
1.4.3.制成人造聚乙烯視網膜，發明能安全彌合心臟缺陷的速黏強力仿生膠，開發出修復受損心臟組織的水凝膠，發明可修補裂孔疝組織的合成高分子材料，發現可用于皮膚修復和再生用高分子材料，研制能用來修復人體骨骼的超高強度材料，研發出可粘合到面部骨骼上的畸形兒童整容用塑膠材料，研制出新型醫用生物材料骨粘固劑。
1.5.智能材料
開發能“自動療傷”的鎳鈦形狀記憶合金；發明能自我清潔、可調節室內冷暖，以及可隨環境溫度自動調光的智能玻璃；發明遇水自潔輕松去油垢的涂料，研制出能自行修補的宇宙飛船包覆層，發明具有自我修復功能的汽車油漆涂層，研制具有自潔功能的納米有機染料；運用計算化學開發新型超強自愈高聚物材料，開發具有“自愈”能力的有機玻璃、塑料、橡膠，以及能夠自我修復的樹脂復合材料和纖維復合材料。推出具有“記憶”功能的衣料、以形態記憶材質為基礎的可調溫紡織面料，以及智能防護衣料。
2 開發高性能復合材料
開發鐵損半減的轉子鐵基復合軟磁材料，可大量吸附二氧化碳的鉻基復合材料，鋁與碳纖維組成的高熱傳導復合材料，用銀與氧化鋁研制成可增強光線負折射率的金屬基復合材料；開發讓電子設備更快降溫的銅基復合材料，既可輸送又能儲存能量的銅基復合新電纜，室溫下電導率達百分之百的錫基復合材料；研制成可大幅提高氫儲存能力的鈦基復合材料，可切割融合并能彈起的金屬液滴復合材料。
開發熱傳導率極高的鉆石基復合材料，以多孔碳材研制用于硫鋰電池的碳基復合材料；利用硅基復合材料設計制造出可利用紅外光的新型光學設備，把金屬天線嵌入硅中制成避免電磁波逆向反射的復合材料；研發出模擬血管結構的無機纖維復合材料，研制成被譽為人造骨骼的礦物基復合材料。
開發環氧樹脂基鑄模復合材料，用聚乙烯研制出超高強度的復合纖維材料，研制出以聚丙烯為基材的高性能復合涂料，研制出以聚醚砜等熱塑性樹脂為基材的復合材料；開發以芳香族聚酰胺纖維為基材的預浸漬復合材料，開發出可吸收沖擊力的聚酰胺基復合材料，研制出以聚酰亞胺為基材的柔性復合材料；用有機硅與液態金屬制成可延展拉伸的電子復合材料。
把碲化鉍鑲嵌在硫化鉍中制成樹枝狀晶體復合納米棒，研制出可提升電池性能的石墨烯納米復合材料，用光敏配合基與硒化鎘納米粒子形成光控復合材料，用有機物與硅膠納米粒制成復合材料；研制出類海參皮質的納米復合材料，把生物納米技術與沾筆納米光刻技術結合起來制造復合材料；用有機化合物與無機納米粒子研制復合材料。
3 研制先進金屬材料
3.1.高端金屬材料
成功推出無鉻彩色鋁板、車用鎂板、超密鋁、替代銦制材料的鋅制材料，以及鉛薄層和銫薄層等高純金屬材料。著力破解氫金屬合金、因瓦合金、高熵合金、液態金硅合金和新型合金準晶體的性能與結構。重點開發新型結構鋼、高張力鋼板、輕質高強度鋼板、智能鋼鐵材料等車用鋼材，高效耐腐蝕鋼板、高拉力強化鋼板等船用鋼材，高強度不銹鋼、抗腐蝕高硬度不銹鋼、超臨界機組用合金鋼，耐高溫超強超硬納米晶體鐵合金，耐高溫鎂合金、高強度鋁合金、高剛性鑄鋁合金等金屬材料。
3.2.特種功能金屬材料
成功推出磁敏感的鈷鐵合金，振動發電的鐵鈷合金，遇熱收縮的錳鍺合金；具有高熱傳導性和低熱膨脹率銅鉻合金，可吹塑成型的鋯鎳鈦銅合金，能變形的鎵銦液體合金。特別是，著力開發用于電子產業的特種功能金屬材料，如用黃金納米粒子制成使靜止物體隱形的“隱身衣”,發明具有極強熱電性能的納米金屬籠形包合物，研制成含納米囊體的電鍍涂層金屬表面。
同時，還大力開發生物醫學用的特殊功能金屬材料，已開發出可把藥物直接送到癌細胞核的金納米粒子，以及用鎳和硅制成運送藥物的納米機器人螺旋槳。
4 研發新型無機非金屬材料
成功推出可變形而不斷裂的建筑陶瓷，室溫下的陶瓷超導體，以及無膨脹可耐高溫的工業陶瓷；可改善視野的擋風玻璃，能高效反射紅外線的節能玻璃，自潔不反光的納米結構玻璃；新型超硬物質體心四方碳，非結晶新型超硬碳結構材料，由大量空氣構成的“飛行石墨”,用稻殼制成高性能活性炭；塑性變形能力強的可彎曲水泥，可吸收二氧化碳的環保水泥，能吸收放射性銫的建筑材料，能消除煙塵污染的自清潔建筑材料。
研制出高純度二氧化硅光導纖維、多芯玻璃光導纖維、硒化鋅光導纖維，以及抗高溫無機纖維。開發出無閃爍現象的新型納米晶體，耐上千度高溫的光子晶體，用氮化鎵植于石墨烯制成可彎曲和伸縮發光二極管材料。用碲化鉛及其近親物質研制熱電材料，用多鐵性合金、鈦酸鍶、鉿鋯混合物等開發熱電材料。破解磷酸二氫銨同時具有鐵電性和反鐵電性的原因，揭示鐵電納米材料亞原子結構及性質，用鈦酸銪材料制成磁性鐵電體。研發出可同時操控光線和振動的硅晶體，制成硅與非硅材料“混搭”的集成電路，探索六方氮化硼石墨烯半導體用途，制造出全石墨烯無縫集成電路架構，開發出砷化銦二維半導體量子膜。以沙子提煉的物質制成性能優異的鋰離子電池，研發有望提高燃料電池性能的超級晶格材料，用鈣鈦礦制成新型太陽能電池材料。
制造出電子親合能非常高的超級鹵化物，人工合成迄今已1隙拓撲絕緣體，發現可液態化生產的透明絕緣材料，發明制造“超級電容”的絕緣材料；用石英纖維制作下一代載人航天器隔熱板，開發出超薄碳納米管阻燃材料。開發硫化鉬系列、納米粒子系列，以及其他物質系列的制氫催化劑；開發轉化二氧化碳的催化劑。開發具有防腐蝕功能、能抗菌抗病毒、能凈化空氣，以及可循環或可再回收使用的涂料。用離子液體開發二氧化碳吸收劑，開發火電廠減少二氧化碳排放的碳酸鈣巖粉材料，開發出能快速把水與油分離開來的過濾材料，制成可清除核廢料中放射性離子的新晶體。
5 研制先進有機高分子材料
研制高性能墨水狀環氧樹脂、熱傳導率高的環氧樹脂、絕緣膜用環氧樹脂；開發溶劑型聚氨酯、耐高溫聚氨酯、高性能聚碳酸酯、車用氟樹脂，高流動性聚醚醚酮樹脂，并用硅樹脂制成新聚合物。研制新功能塑料、環保型塑料、可降解塑料、電子產業用塑料，以及塑料薄膜；開發能吸附二氧化等有害物質的黑塑料。開發不含鹵素的硅橡膠、低滾動阻力的硅橡膠、高性能氟橡膠、抗震橡膠、橡膠助劑。以自然物為原料開發天然纖維，通過轉基因技術開發天然纖維；開發嫘縈纖維與莫代爾纖維，以及高強度有機合成纖維。
開發環保型有機涂料、能保護堤壩和橋梁的有機涂料、能提高光學儀器質量的有機涂料，研制可提高太陽能電池效率的合成有機染料，開發高強度有機納米黏合劑。開發生物柴油催化劑、有機化工催化劑；研制高效生物活性吸附劑、油污吸附劑、導電碳纖維吸附劑；開發特種用途潤滑劑、無污染“綠色”潤滑劑。研制食品添加劑、紡織添加劑、塑料及其他添加劑。
研制具有運送治癌藥物功能的智能納米載體，用生物材料制成可在身體內行走的納米級膠囊，發現運輸藥物功能特佳的納米圓柱顆粒，研制出具有靶向給藥功能的聚合物，研制具有納米藥物遞送車功能的 DNA“分子籠”,研發能將酸奶益生菌安全送入腸道的可食用聚合物。研制兼有藥物與靶向載體雙重功能的高分子材料，研制出可保留各自功能的納米粒子結合體，發明兼具雙重抗癌功能的納米藥物載體，開發出可同時攜帶兩種藥物的多功能高分子納米粒子。設計出可實現 8 種生物醫學應用功能的單個納米顆粒。利用染料開發出具有信息存儲功能的高分子材料。
開發高導電性的有機金屬材料；研制可食用的金屬有機骨架材料、吸收二氧化碳的金屬有機骨架材料；發明共價有機骨架聚合物、能吸附溫室氣體的沸石咪唑酯骨架結構材料。開發有機磁性材料、運行速度最快的有機半導體、大分子碳結構有機半導體，以及可大幅降低半導體制造成本的環氧硅氧烷聚酯樹脂；研制出氟類聚合物電解質膜、可改進質子交換膜燃料電池的有機材料。研制高發光效率的有機 EL 材料，開發能在室溫下發白光的有機材料；開發出全氟樹脂光纖、傳輸高保真影像的塑料光纖；研制依靠光照反復液化和固化的光反應性有機材料開發出加固房屋的環氧基碳塑材料，設計可作房屋防震“護身衣”的塑料圈；發明軌道空間站的高分子建筑材料。研制既高度防水又能自我清潔的布料、自動去污殺菌的納米涂料服裝面料；研制具有耐高溫或阻燃功能的布料、納米級碳素防火面料，以及能吸收放射性銫的布料。
參考文獻：
[1] 李全林主編。前沿領域新材料[M].南京：東南大學出版社，2008.
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[3] 張明龍，張瓊妮。美國生命健康領域的創新信息[M].北京：知識產權出版社，2013.
