2020年前沿科技发展态势及2021年趋势展望——新材料篇
2020年前沿科技发展态势及2021年趋势展望——新材料篇
世界新材料领域2020年态势总结
发达国家针对新材料领域展开新一轮布局。美国国家科学基金会先后向“材料研究科学与工程中心”和“化学创新中心”合计投入约2.6亿美元，围绕材料、化学领域制定新研究计划，旨在通过与跨学科、多机构的团队开展合作，应对相关领域挑战，并推动新技术发展。日本产业经济省发布2020年日本工业技术展望报告，提出2050年前重要技术研发方向，并指出应将一定资源集中于作为所有领域基础的材料技术。英国商业、能源与产业战略部正式启动“可持续复合材料计划”，着眼于复合材料的全生命周期，确保其满足未来飞机、汽车与风电涡轮机等领域发展需要。
美欧韩高度关注原材料供应链安全问题。美国能源部宣布提供1800万美元的基础研究资助，旨在推动关键矿物和稀土元素供应链的研究与开发，保障美国能源和国家安全。欧盟委员会修订了关键原材料清单，将稀土等30种具有重大经济和战略价值的原材料纳入清单，同时公布行动计划，力求扩大供应商网络，减少对第三国的依赖。韩国政府发布材料、零组件和设备2.0战略，大幅扩充战略产品的供应链管理名录，促进“制造业回流”，意图打造零部件产业强国和尖端产业世界工厂。
新型高功率电子器件推动信息产业快速发展。瑞士洛桑联邦理工学院研制出一种由间距20纳米的双金属片组成的高功率太赫兹器件。这种器件可在皮秒时间内产生高强度太赫兹电磁波，未来有望广泛应用于安防、医疗和通信等领域。俄罗斯开发出世界上最紧凑的绿光半导体激光器，对构造光芯片、微传感器和其他使用光作为信息传输和处理媒介的器件领域具有积极推动作用。美国海军研究实验室开发出应用于5G技术的新型氮化镓基谐振隧穿二极管（RTD）。该电子器件打破了传统器件的电流输出与开关速率纪录，能使应用程序获取毫米波范围内的电磁波以及太赫兹频率。
新能源材料推动电池行业创新发展。美国华盛顿州立大学开发出媲美锂电池的钠离子电池，在1000次循环充电后仍能保持80％以上的电量。该项研究使利用丰富而廉价材料开发一种可行电池的技术成为可能。澳大利亚昆士兰大学开发出能量转换效率高达16.6%的新型量子点太阳能电池，比此前世界纪录高出近25％，有助于进一步研发柔性、透明太阳能电池。韩国科学技术研究院开发出新型硅负极材料，可将电池容量提升4倍，并且支持快速充电，预计将使电动车续航里程翻倍。
颠覆性新材料技术不断涌现，带来高技术产业新变革。在二维材料方面，美国斯坦福大学利用二维材料制备出的超薄异质结构，表现出优异的隔热性能，有望用于电子器件超轻隔热罩。瑞士洛桑联邦理工学院设计出的一种基于二维半导体材料的新型器件，可用于构建类似于大脑神经元的节能电子系统，未来有望应用于可穿戴设备和人工智能芯片领域。在智能材料方面，英国剑桥大学研发出一种人造变色皮肤，在光照或加热时会变色。中国天津大学成功研发出“全天候自愈合材料”。该材料能在严寒、深海和强酸碱等极限条件下快速自愈合，有望成为机器人、深海探测器和极端条件下各类高科技设备的“超级电子皮肤”。在超材料方面，美国南加州大学受鲨鱼皮肤启发，研发出可控制声波传播方式的新型智能声学超材料。土耳其毕尔肯大学与英国曼彻斯特大学合作设计出一种模块化超材料，可用于数据加密和可逆解密。
世界新材料领域2021年趋势展望
机器学习技术推动新材料研发新变革。传统的新材料研发过程主要依赖科学直觉与实验判断，再加上大量的重复性实验来完成验证。而借助机器学习技术，新材料的研发和应用周期有望缩短一半以上。例如，美国能源部利用机器学习技术加速从新材料发现到大规模部署的过程，消除测试评估候选材料性能等瓶颈；日本利用机器学习工艺研发铝合金等新材料；英国采用机器学习技术预测锂离子电池安全状况。2021年，美日欧等国家和地区仍将进一步推动机器学习技术在新材料研发中的应用，以争夺未来科技竞争制高点。
新兴产业快速发展促使新材料产品不断更新换代。近年来，高端装备、电子信息、新能源、生物医用、3D打印及节能环保等新兴产业领域保持较快发展势头，这对关键基础材料提出新的挑战和需求。美欧日韩等发达国家出台一系列相关科技政策，如美国《国家纳米技术计划》、日本《第五期科学技术基本计划》、韩国《第四次科学技术基本计划》，旨在助推新材料技术及产品研发，使其更好地满足新兴产业发展需求。2021年，先进信息材料、新能源材料、生物医用材料、节能环保材料、3D打印材料等新材料产品将大量涌现，为新兴产业的发展提供支撑作用。
新材料继续向绿色化、轻量化、智能化方向转型升级。近年来，环境污染、能源短缺的问题日渐突出，节能、环保、轻量化逐渐成为新材料发展的主要趋势之一。2021年，高强轻合金、特种合金、碳纤维以及新型环保材料等技术将加速突破，引领航空航天、电力电子、新能源等产业深度变革。同时，随着智能制造的快速发展，新材料技术正加速向智能化方向发展。2021年，自修复材料、自适应材料、新型传感材料、4D打印材料等智能材料技术将大量涌现，为生物医疗、国防军事以及航空航天等领域发展提供支撑。
2020年前沿科技发展态势及2021年趋势展望汇总：
2020年前沿科技发展态势及2021年趋势展望——先进制造篇
作者简介
武志星 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究三室，研究助理
研究方向：海洋、新材料领域战略、技术和产业前沿
联系方式：wuzhixing@drciite.org
作者丨 武志星
编辑丨 刘瑾
研究所简介
国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界科技、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号，致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。
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