2018年最具潛力的20大新材料

材料工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，尤其新興材料，將會給工業(yè)帶來革命性的變革。新材料是材料工業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)，是重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。21世紀(jì)的今天，科技革命迅猛發(fā)展，新材料產(chǎn)業(yè)升級、材料更新?lián)Q代步伐加快。以下總結(jié)了2018年最具潛力的20大新材料。

01、特種纖維

特種纖維是具有特殊的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)、性能和用途，或具有特殊功能的化學(xué)纖維。這些纖維大都應(yīng)用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)和尖端科學(xué)各方面。

特種纖維分別具有不同的特殊性能，如耐強(qiáng)腐蝕、低磨損、耐高溫、耐輻射、抗燃、耐高電壓、高強(qiáng)度高模量、高彈性、反滲透、高效過濾、吸附、離子交換、導(dǎo)光、導(dǎo)電以及多種醫(yī)學(xué)功能。

02、柔性電極材料

柔性電極是將電子器件制作在柔性或可延性塑料或薄金屬基板上的電子技術(shù)。柔性電極可作為可穿戴電子器件。也就是說，如果成功，以后，我們帶有「智能」的衣服或者體內(nèi)的供電設(shè)備就不會再被僵硬的電路掣肘了。

03、全息膜

透明全息投影膜擁有獨(dú)一無二的透明特性，在保持清晰顯像的同時，能讓觀眾透過投影膜看見背后景物。畫質(zhì)100%清晰亮麗，非凡超薄境界，絕無空間設(shè)限。有此神奇效果，得益于在國際市場上首次發(fā)表的綜合衍射圖(hologram)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，是國際上首次實(shí)現(xiàn)在無論光源是否充足的情況下，皆能透過正面及背面兩側(cè)同時、多角度直接觀看影像的劃時代專利技術(shù)投影膜。

全像彩色濾光板結(jié)晶體（HCFC）為核心材料，融合納米技術(shù)，材料學(xué)、光學(xué)、高分子等多學(xué)科成果和制備加工技術(shù)，以有機(jī)材料、無機(jī)納米粉體和精細(xì)金屬粉體為原料，生產(chǎn)而成。輕薄內(nèi)部蘊(yùn)含先進(jìn)的精密光學(xué)結(jié)構(gòu)，以達(dá)致高清晰、高亮度的完美顯像。

04、微格金屬

微格金屬(microlattice)材料是由連通中空管構(gòu)成的3D多孔聚合物材料，中空管壁厚度不足人體頭發(fā)直徑的千分之一。它其中的金屬微點(diǎn)陣是由相互連接的空心支柱組成；每支柱的直徑～100um，壁厚100um，全部結(jié)構(gòu)的99.99%為空氣；表觀密度為0.9g/cm3，是一種合成的多孔極輕3D開放式蜂窩聚合物結(jié)構(gòu)金屬材料。

05、量子金屬

由俄羅斯遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院遠(yuǎn)東分院的科學(xué)家與日本東京大學(xué)的同行組成的國際研究團(tuán)隊(duì)近日合成了世界上首例量子金屬。遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)發(fā)布消息稱，這種新材料具有以多晶硅為襯底的雙層鉈原子結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度低于零下272攝氏度時，變?yōu)槌瑢?dǎo)材料。

實(shí)驗(yàn)表明，二維系統(tǒng)在轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體或超導(dǎo)體的同時，仍可保持正常的金屬態(tài)。這種不尋常的狀態(tài)被稱為量子金屬或玻色金屬。研究人員將繼續(xù)對這種合成材料的電子特性進(jìn)行深入研究。

06、超固體

超固體（Supersolid）是一種空間有序（比如固體或晶體）的材料，但同時還具有超流動性。換句話說，超固體同時具有固體和流體的特性。當(dāng)量子流體，比如 He－4 冷卻到某特征溫度以下時，He－4 將經(jīng)歷超流轉(zhuǎn)變，進(jìn)入一個零黏性的態(tài)。這個轉(zhuǎn)變被認(rèn)為與發(fā)生玻色－愛因斯坦凝聚有關(guān)。

超固體是回到1969年由俄羅斯物理學(xué)家首先預(yù)測的。他們假設(shè)在某些條件下，氦-4同位素可以同時顯示固體和液體特性。

07、超高溫陶瓷

超高溫陶瓷材料（Ultrahigh-Temperature Ceramics,簡稱UHTCs）最早由美國空軍開發(fā)，主要指高溫環(huán)境（2000℃以上）和反應(yīng)氣氛中（如原子氧環(huán)境）能夠保持化學(xué)穩(wěn)定的一種特殊材料，通常包括硼化物、碳化物、氧化物在內(nèi)的一些高熔點(diǎn)過渡金屬化合物，由上述化合物組成的多元復(fù)合陶瓷材料統(tǒng)稱為超高溫陶瓷材料。

08、過渡金屬硫化物

TMDCs是具有MX2型的半導(dǎo)體，M代表過渡金屬(如Mo、W等)，X代表硫族元素(如S、Se、Te)。TMDCs的研究歷史非常悠久，1923年Linus Pauling就確定了其結(jié)構(gòu)，到1960s已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過60種TMDCs。1986年，單層的MoS2被首次合成，進(jìn)一步推進(jìn)了2D-TMDCs的研究。

09、錫烯

單層錫原子構(gòu)成的厚度小于0.4納米的二維晶體——錫烯，可在常溫下達(dá)到100％導(dǎo)電率的超級材料，其導(dǎo)電性只存在于材料的邊緣或表面，而不是內(nèi)部。當(dāng)拓?fù)浣^緣體只有一層原子厚的時候，它的邊緣導(dǎo)電性就會達(dá)到完美的100％。遠(yuǎn)勝近年來熱議的石墨烯，可實(shí)現(xiàn)室溫下無能量損耗的電子輸運(yùn)。

10、新型透明導(dǎo)電材料

美國賓州州立大學(xué)研究人員選擇了一種電子間相互作用大于其動能的材料，由于電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用，電子能“感覺”到彼此，從而使其性質(zhì)類似于“液體”，而不是沒有相互作用的“氣體”。這種電子“液體”仍然非常導(dǎo)電，但是可見光波段的反射卻大大降低，從而提高了透明度。

11、第三代半導(dǎo)體

碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、氮化鋁等寬緊帶半導(dǎo)體材料。具有寬的禁帶寬度，高的擊穿電場，高的熱導(dǎo)率，高的發(fā)光效率，高的電子飽和速率及高的抗輻射能力。更適用于制作高溫高頻、抗輻射及大功率器件。

12、4D打印材料

所謂的4D打印，比3D打印多了一個“D”也就是時間維度，人們可以通過軟件設(shè)定模型和時間，變形材料會在設(shè)定的時間內(nèi)變形為所需的形狀。準(zhǔn)確地說4D打印是一種能夠自動變形的材料，直接將設(shè)計內(nèi)置到物料當(dāng)中，不需要連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，就能按照產(chǎn)品設(shè)計自動折疊成相應(yīng)的形狀。

4D打印最關(guān)鍵是記憶合金。4D打印由MIT與Stratasys教育研發(fā)部門合作研發(fā)的，是一種無需打印機(jī)器就能讓材料快速成型的革命性新技術(shù)。大小形狀可以隨時間變化。

13、金屬氫

金屬氫是液態(tài)或固態(tài)氫在上百萬大氣壓的高壓下變成的導(dǎo)電體。導(dǎo)電性類似于金屬，故稱金屬氫。 金屬氫是一種高密度、高儲能材料，之前的預(yù)測中表明，金屬氫是一種室溫超導(dǎo)體。

金屬氫內(nèi)儲藏著巨大的能量，比普通TNT炸藥大30─40倍。2017年1月26日, <<科學(xué)>>雜志報道哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室成功制造出金屬氫[1] 。2017年2月22日，由于操作失誤，這塊地球上唯一的金屬氫樣本消失了。

14、高熵合金

高熵合金概念由***科學(xué)家葉均蔚于1995年提出的。高熵合金含有多種主要元素，每種元素介于5%-35%之間。傳統(tǒng)金屬則是以一種元素為主，而高熵合金是多元素共同作用的結(jié)果。所以高熵合金是一種顛覆數(shù)千年以來的合金制備方法。與傳統(tǒng)合金相比，高熵合金表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐輻照等等。

15、硼墨烯

硼墨烯是一種不同尋常的材料，因?yàn)樗诩{米尺度表現(xiàn)出很多金屬特性，而三維硼或者散狀硼都只是非金屬半導(dǎo)體。因?yàn)榕鹉┩瑫r具有金屬性和原子厚度，從電子產(chǎn)品到光伏發(fā)電都具有廣泛的應(yīng)用可能性。導(dǎo)電屬性具有方向性，較高的拉伸強(qiáng)度。

16、鋰空氣電池

鋰空氣電池，也稱為鋰-O2，有望使用質(zhì)輕的方法改變本世紀(jì)的能源存儲方式。他們有很大的潛力，比目前為手機(jī)和平板電腦供電的鋰離子電池的能量高五倍。它甚至可能成為可充電電池，高達(dá)1000瓦時/公斤，所需要的僅是氧氣。這種電池可以用于燃料電動汽車和儲存太陽能板和風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電能。

17、量子隱形材料

“量子隱形”材料制作成衣服，透過反射穿衣者身邊的光波，可以使得穿著這種衣服的人達(dá)到“隱形”的效果。通過折射周圍光線來實(shí)現(xiàn)“完全隱形”?！傲孔与[形”材料完全可以在不借助其他技術(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)隱形，甚至可逃過紅外望遠(yuǎn)鏡和熱力學(xué)設(shè)備的追蹤。

18、冷沸材料

隨著溫度的下降而依次呈現(xiàn)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。聚集態(tài)的冷沸材料愈熱強(qiáng)度愈高，冷沸金屬材料最高耐受溫度可達(dá)10200 ℃，在常溫及高溫時均可保持電超導(dǎo)和磁超導(dǎo)特性；冷沸非金屬材料可耐7400 ℃ 的高溫，是優(yōu)秀的耐磨和阻磁材料。

冷沸材料的優(yōu)異性能可以用于研制一系列前未有的航空航天發(fā)動機(jī)和飛行器、超級機(jī)械和電子設(shè)備，引發(fā)新一輪的工業(yè)科技革命。

19、時間晶體

時間晶體是一種四維以上的空間晶體晶格，在時空中擁有一種超短程的周期性結(jié)構(gòu)運(yùn)動。時間晶體的主特質(zhì)是超對稱粒子的超對稱破缺即CPT破壞，并粒子組合在空間軸線做非平移運(yùn)動，揭示了‘超額外維度’粒子的客觀存在。

可以將它看作是一只可以永遠(yuǎn)保持走時精確無誤的鐘，即便是在宇宙達(dá)到熱寂之后也是如此。2012年初，時間晶體的理論由諾貝爾物理學(xué)獎得主麻省理工學(xué)院物理學(xué)家弗蘭克·維爾澤克提出，并在2017年10月31日由中國科學(xué)家在自然界的物質(zhì)中首次‘發(fā)現(xiàn)’時間晶體的天然真實(shí)存在。

20、光子晶體

光子晶體是由周期性排列的不同折射率的介質(zhì)制造的規(guī)則光學(xué)結(jié)構(gòu)。具有速度快、靜止質(zhì)量為零、彼此間不存在相互作用、具有電子所不具備的頻率和偏振等特征；建立了光子的能帶理論，打開了控制光的傳播及光與物質(zhì)相互作用的新領(lǐng)域—凝聚態(tài)物理和光學(xué)的新交叉領(lǐng)域；創(chuàng)造了一種人工設(shè)計的新材料---光子半導(dǎo)體；為發(fā)展新型光子器件奠定了物理基礎(chǔ)。

反光鏡、放大器、彎曲光路、超棱鏡、激光器、非線性開關(guān)、光子纖維和發(fā)光二極管等基于光子晶體的全新光子學(xué)器件相繼被提出。在新的納米技術(shù)、光計算機(jī)、激光器、光子器件、芯片、光通訊、生物等前沿和較差領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。