新材料技術(shù)的發(fā)展不僅促進了信息技術(shù)和生物技術(shù)的革命，而且對制造業(yè)、物資供應(yīng)以及個人生活方式產(chǎn)生重大的影響。記者日前采訪了中國科學(xué)院“高科技發(fā)展報告”課題組的有關(guān)專家，請他們介紹了當前世界上新材料技術(shù)的研究進展情況及發(fā)展趨勢。
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材料技術(shù)的進步使得“芯片上的實驗室”成為可能，大大促進了現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展。新材料技術(shù)的發(fā)展賦予材料科學(xué)新的內(nèi)涵和廣闊的發(fā)展空間。目前，新材料技術(shù)正朝著研制生產(chǎn)更小、更智能、多功能、環(huán)保型以及可定制的產(chǎn)品、元件等方向發(fā)展。
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納米材料20世紀90年代，全球逐步掀起了納米材料研究熱潮。由于納米技術(shù)從根本上改變了材料和器件的制造方法，使得納米材料在磁、光、電敏感性方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的許多特性，在許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。專家預(yù)測，納米材料的研究開發(fā)將是一次技術(shù)革命，進而將引起21世紀又一次產(chǎn)業(yè)革命。日本三井物產(chǎn)公司曾在去年末宣布該公司將批量生產(chǎn)碳納米管，從2002年4月開始建立年產(chǎn)量120噸的生產(chǎn)設(shè)備，9月份投入試生產(chǎn)，這是世界上首次批量生產(chǎn)低價納米產(chǎn)品。美國IBM公司的科研人員，在2001年4月，用碳納米管制造出了第一批晶體管，這一利用電子的波性，而不是常規(guī)導(dǎo)線實現(xiàn)傳遞住處的技術(shù)突破，有可能導(dǎo)致更快更小的產(chǎn)品出現(xiàn)，并可能使現(xiàn)有的硅芯片技術(shù)逐漸被淘汰。?
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在碳納米管研究方興未艾的同時，納米事業(yè)的新秀－－“納米帶”又問世了。在美國佐治亞理工學(xué)院工作的三位中國科學(xué)家2001年初利用高溫氣體固相法，在世界上首次合成了半導(dǎo)體化物納米帶狀結(jié)構(gòu)。這是繼發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管和合成單壁納米管以來，一維納米材料合成領(lǐng)域的又一大突破。這種納米帶的橫截面是一個窄矩形結(jié)構(gòu)，帶寬為30～300mm，厚度為5～10nm，而長度可達幾毫米，是迄今為止合成的惟一具有結(jié)構(gòu)可控且無缺陷的寬帶半導(dǎo)體準一維帶狀結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)成功合成了氧化錫、氧化銦、氧化隔等材料納米帶。由于半導(dǎo)體氧化物納米帶克服了碳納米管的不穩(wěn)定性和內(nèi)部缺陷問題，具有比碳納米管更獨特和優(yōu)越的結(jié)構(gòu)及物理性能，因而能夠更早地投入工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)開發(fā)。
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超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料在電動機、變壓器和磁懸浮列車等領(lǐng)域有著巨大的市場，如用超導(dǎo)材料制造電機可增大極限輸出量20倍，減輕重量90％。超導(dǎo)材料的研制，關(guān)鍵在于提高材料的臨界溫度，若此問題得到解決，則會使許多領(lǐng)域產(chǎn)生重大變化。去年，科學(xué)家在超導(dǎo)材料上有不少新收獲，相繼發(fā)現(xiàn)了臨界溫度更訓(xùn)的新型超導(dǎo)材料，使人類朝著開發(fā)室溫超導(dǎo)材料邁出了一大步。在日本，有人發(fā)現(xiàn)二硼化鎂可在－234℃成為超導(dǎo)體，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)臨界溫度最高的金屬化合物超導(dǎo)體。由于二硼化鎂的發(fā)現(xiàn)，使世界凝聚態(tài)物理學(xué)界為之振奮。由于二硼化鎂超導(dǎo)體易合成、易加工，很容易制成薄膜或線材，因而應(yīng)用前景看好。
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美國科學(xué)家在研制更具實用性超導(dǎo)材料方面取得了明顯的進展，并開始進入實用階段。美國底物律的福瑞斯比電站在地下鋪設(shè)了360多米的超導(dǎo)電纜，電纜中123kg重的導(dǎo)線是由含鉍、鍶、鈣、銅的氧化物超導(dǎo)瓷制造的。這是世界上首次實用的超導(dǎo)輸電線路。我國在高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)上也獲得了重大突破，目前已有高溫超導(dǎo)線材生產(chǎn)線投產(chǎn)。據(jù)估計，到2010年超導(dǎo)產(chǎn)品可有1000億美元的市場。但應(yīng)當指出的是，除超導(dǎo)材料以外，還有許多配套技術(shù)需要解決，同時還要繼續(xù)研究開發(fā)高溫超導(dǎo)體，如室溫超導(dǎo)材料。
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高性能結(jié)構(gòu)材料高性能結(jié)構(gòu)材料具有高溫強度好、耐磨損、抗腐蝕等優(yōu)點。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料目前正在研制的有碳化硅、氧化硅、氮化硅、硼化物、增韌氧化鋯陶瓷和纖維增強無機合成材料等。如在內(nèi)燃機中用陶瓷代替金屬可減少燃料消耗30％，提高熱效率50％。高性能復(fù)合材料可以根據(jù)要求進行設(shè)計，能夠使材料揚避短，當前的研究重點有：纖維增強塑料、碳／碳復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料。高分子功能材料是近年來發(fā)展最快的有機合成材料，每年的遞增速度達到14％。此外，美國科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了一種可和玻璃結(jié)合的化合物，這種硅烷化合物能夠粘在磷酸鹽玻璃表面，形成一個單一分子層和多分子層，從而可以保護玻璃表面，將腐蝕減少到最小程度，這一發(fā)現(xiàn)對提高玻璃的抗腐蝕性有重要意義。
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隨著科學(xué)技術(shù)的進步，開拓了新材料的范圍，推動了新材料向列高、更新方向發(fā)展。化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)了大量的化工新材料，為新材料的發(fā)展提供技術(shù)支持。同時，新材料的發(fā)展同樣可以推動化學(xué)工業(yè)的科技進步、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化。高性能結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)、應(yīng)用，使一些化工機械、設(shè)備的大型化、高效化、高參數(shù)化、多功能化有了物質(zhì)基礎(chǔ)，可以滿足化工生產(chǎn)高技術(shù)的要求，使一些化工工藝的實現(xiàn)成為可能。納米材料在化學(xué)工業(yè)可廣泛應(yīng)用，是應(yīng)用于多種化學(xué)傳感器的最有前途的材料。展望21世紀，新材料技術(shù)的飛速發(fā)展，必將為我們的生活帶來更美好的明天。
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材料技術(shù)的進步使得“芯片上的實驗室”成為可能，大大促進了現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展。新材料技術(shù)的發(fā)展賦予材料科學(xué)新的內(nèi)涵和廣闊的發(fā)展空間。目前，新材料技術(shù)正朝著研制生產(chǎn)更小、更智能、多功能、環(huán)保型以及可定制的產(chǎn)品、元件等方向發(fā)展。
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納米材料20世紀90年代，全球逐步掀起了納米材料研究熱潮。由于納米技術(shù)從根本上改變了材料和器件的制造方法，使得納米材料在磁、光、電敏感性方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的許多特性，在許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。專家預(yù)測，納米材料的研究開發(fā)將是一次技術(shù)革命，進而將引起21世紀又一次產(chǎn)業(yè)革命。日本三井物產(chǎn)公司曾在去年末宣布該公司將批量生產(chǎn)碳納米管，從2002年4月開始建立年產(chǎn)量120噸的生產(chǎn)設(shè)備，9月份投入試生產(chǎn)，這是世界上首次批量生產(chǎn)低價納米產(chǎn)品。美國IBM公司的科研人員，在2001年4月，用碳納米管制造出了第一批晶體管，這一利用電子的波性，而不是常規(guī)導(dǎo)線實現(xiàn)傳遞住處的技術(shù)突破，有可能導(dǎo)致更快更小的產(chǎn)品出現(xiàn)，并可能使現(xiàn)有的硅芯片技術(shù)逐漸被淘汰。?
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在碳納米管研究方興未艾的同時，納米事業(yè)的新秀－－“納米帶”又問世了。在美國佐治亞理工學(xué)院工作的三位中國科學(xué)家2001年初利用高溫氣體固相法，在世界上首次合成了半導(dǎo)體化物納米帶狀結(jié)構(gòu)。這是繼發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管和合成單壁納米管以來，一維納米材料合成領(lǐng)域的又一大突破。這種納米帶的橫截面是一個窄矩形結(jié)構(gòu)，帶寬為30～300mm，厚度為5～10nm，而長度可達幾毫米，是迄今為止合成的惟一具有結(jié)構(gòu)可控且無缺陷的寬帶半導(dǎo)體準一維帶狀結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)成功合成了氧化錫、氧化銦、氧化隔等材料納米帶。由于半導(dǎo)體氧化物納米帶克服了碳納米管的不穩(wěn)定性和內(nèi)部缺陷問題，具有比碳納米管更獨特和優(yōu)越的結(jié)構(gòu)及物理性能，因而能夠更早地投入工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)開發(fā)。
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超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料在電動機、變壓器和磁懸浮列車等領(lǐng)域有著巨大的市場，如用超導(dǎo)材料制造電機可增大極限輸出量20倍，減輕重量90％。超導(dǎo)材料的研制，關(guān)鍵在于提高材料的臨界溫度，若此問題得到解決，則會使許多領(lǐng)域產(chǎn)生重大變化。去年，科學(xué)家在超導(dǎo)材料上有不少新收獲，相繼發(fā)現(xiàn)了臨界溫度更訓(xùn)的新型超導(dǎo)材料，使人類朝著開發(fā)室溫超導(dǎo)材料邁出了一大步。在日本，有人發(fā)現(xiàn)二硼化鎂可在－234℃成為超導(dǎo)體，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)臨界溫度最高的金屬化合物超導(dǎo)體。由于二硼化鎂的發(fā)現(xiàn)，使世界凝聚態(tài)物理學(xué)界為之振奮。由于二硼化鎂超導(dǎo)體易合成、易加工，很容易制成薄膜或線材，因而應(yīng)用前景看好。
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美國科學(xué)家在研制更具實用性超導(dǎo)材料方面取得了明顯的進展，并開始進入實用階段。美國底物律的福瑞斯比電站在地下鋪設(shè)了360多米的超導(dǎo)電纜，電纜中123kg重的導(dǎo)線是由含鉍、鍶、鈣、銅的氧化物超導(dǎo)瓷制造的。這是世界上首次實用的超導(dǎo)輸電線路。我國在高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)上也獲得了重大突破，目前已有高溫超導(dǎo)線材生產(chǎn)線投產(chǎn)。據(jù)估計，到2010年超導(dǎo)產(chǎn)品可有1000億美元的市場。但應(yīng)當指出的是，除超導(dǎo)材料以外，還有許多配套技術(shù)需要解決，同時還要繼續(xù)研究開發(fā)高溫超導(dǎo)體，如室溫超導(dǎo)材料。
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高性能結(jié)構(gòu)材料高性能結(jié)構(gòu)材料具有高溫強度好、耐磨損、抗腐蝕等優(yōu)點。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料目前正在研制的有碳化硅、氧化硅、氮化硅、硼化物、增韌氧化鋯陶瓷和纖維增強無機合成材料等。如在內(nèi)燃機中用陶瓷代替金屬可減少燃料消耗30％，提高熱效率50％。高性能復(fù)合材料可以根據(jù)要求進行設(shè)計，能夠使材料揚避短，當前的研究重點有：纖維增強塑料、碳／碳復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料。高分子功能材料是近年來發(fā)展最快的有機合成材料，每年的遞增速度達到14％。此外，美國科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了一種可和玻璃結(jié)合的化合物，這種硅烷化合物能夠粘在磷酸鹽玻璃表面，形成一個單一分子層和多分子層，從而可以保護玻璃表面，將腐蝕減少到最小程度，這一發(fā)現(xiàn)對提高玻璃的抗腐蝕性有重要意義。
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隨著科學(xué)技術(shù)的進步，開拓了新材料的范圍，推動了新材料向列高、更新方向發(fā)展。化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)了大量的化工新材料，為新材料的發(fā)展提供技術(shù)支持。同時，新材料的發(fā)展同樣可以推動化學(xué)工業(yè)的科技進步、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化。高性能結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)、應(yīng)用，使一些化工機械、設(shè)備的大型化、高效化、高參數(shù)化、多功能化有了物質(zhì)基礎(chǔ)，可以滿足化工生產(chǎn)高技術(shù)的要求，使一些化工工藝的實現(xiàn)成為可能。納米材料在化學(xué)工業(yè)可廣泛應(yīng)用，是應(yīng)用于多種化學(xué)傳感器的最有前途的材料。展望21世紀，新材料技術(shù)的飛速發(fā)展，必將為我們的生活帶來更美好的明天。
