（本文原载《yl23455永利集团官网之窗》2022年第二期，作者： 合金工厂 张敬利 ）

新材料产业是未来高新技术产业发展的基石和先导。先进信息、智能制造、医疗健康、新能源及航空航天等前沿技术的发展，都离不开新材料技术的不断突破。新材料产业更是高技术竞争的关健领域，2018年爆发的中美贸易摩擦、2019年爆发的日韩贸易摩擦，均涉及关键原材料和纳米加工等“卡脖子”技术。

新材料技术的发展，对推动我国经济高质量发展、保障国家安全具有十分重要的意义。2019年以来，世界科技强国持续高度重视新材料产业发展，并将新材料技术研发作为推动先进信息、新能源、医疗健康等颠覆性技术发展的关键。在人工智能、材料基因组等技术的驱动下，新材料研发和创新正在加速，变得更加高效。先进信息材料、新能源材料、生物材料和节能环保材料等前沿新材料相关研究不断取得进展，全面推动相关产业加速变革。作者利用网络信息，以及通过国务院发展研究中心出版《2020年世界前沿技术发展报告》，整理出未来世界新材料技术及产业发展重要动向，简单介绍世界各国，特别是先进国家的新材料、新技术突破点以及这些新材料、新技术给予我们的未来生活、科技等启示。

一、世界新材料枝术及产业发展重要动向

当前，随着全球“互联网+”“人工智能+”，以及氢能经济和低碳经济等模式推陈出新，新材料与信息、能源、生物和环保等高技术领城加速融合，促进新经济增长。其中，石墨烯村料、智能仿生材料、高性能复合材料等前沿新材料领城发展zui为迅猛，持续为产业技术升级、经济结构优化提供新的路径。近年来。

随着中国产业技术升级步伐加快，新材料市场需求保持快速增长态势。据前瞻产业研究院估计，中图新材料市场规模2019年达到45万亿元人民币，到2021年规模将达到7万亿元人民币，预计到2022年规模预计超过8万亿人民币：2011一2022年的年复合增长率将达到15%（见图1-1)。

图1---1   2011一2021年中国新材料产业规模（单位：万亿元人民币）

近5年，全球范围内的科技竞争越发激烈。新材料产业作为先进信息、新能源和医疗健康等高技术产业发展的基础，越发得到世界科技强国的高度重视。在科技政策支持和市场强劲需求的驱动下，新材料技术不断取得新突破，新材料产业加速向新兴产业领域推进。

2019年以来，新材料技术与产业的发展呈如下态势：（一）是新材料的战略性地位更加显著，相关科技政策持续加码；（二）是新材料在高技术领域的支撑性、引领性作用显著增强；（三）是先进信息材料不断涌现，高性能、低能耗成为发展潮流：（四）是新能源材料技术发展迅猛，推动相关产业加速变革，（五）是新材料研发正在加速，机器学习、大数据技术等为新材料研发带来范式革命。

二：各类新材料研发投入及进展情况介绍

近几年，世界各国积极推进人工智能、量子信息、生物医药、节能环保和新能源等前沿技术研究，旨在加快科技创新步伐，以解决日益严峻的人口老龄化、环境恶化、经济增长缓慢等问题。作为发展各类前沿技术的前提和基础，新材料技术正越来越受到世界各国的广泛重视，新材料在国家科技竞争中的战略性地位进一步凸显，2019年，美、日、韩等科技强国出台的科技战略或规划，继续将新材料作为研发优先事项之一，以支撑新兴产业发展。

1.美国积投布局前沿新材料研发，重点支持小企业科技创新，

2019年2月，美国国家科学院(Nationa Academy of Sciences，NAS)发布了针对料研究的第3次十年调查《材料研究前沿：十年调查》报告。这次的调查主要评估过去10年中材料研究领域的进展和成就，确定了2020-2030年材料研究发展面临的机遇、挑战和新方向，并提出了应对这些挑战的建议。该报告指出，发达国家和发展中国家在智能制造和材料科学等领域的竞争将在未来10年内加剧。

随着数字和信息时代的发展，美国面临更加严峻的全球挑战，材料研究对美国的新兴技术、国家需求和科学进步的影响将更加重要。

2019年9月，美国国家标准技术研究院为小企业创新研究(Small Business Innovative Research，SBIR)计划提供4O0万美元资助，涉及石墨烯器件、增材制造、纳米粒子处理与表征、生物材料等领域。其中，Graphene Waves公司获得10万美元，将开发基于外延石墨烯的新量子霍尔电阻标准；Intact Solutions公司获得10万美元，将进行增材制造工艺的直接性能评估；Parman Tech公司获得l0万美元，将开发纳米粒子激光分选技术；Xallent公司获得10万美元，将开发利用射频识别缺陷并测量薄膜材料厚度的纳米机器；Applied NanoFluorescence公司获得40万美元将开发用于纳米粒子表征的多模式光谱仪：Nikira Labs公司获得30万美元，将开发用于活组织研究的紧凑型拉曼光纤探头。

2.先进信息材料不断涌现，高性能、低能耗成为发展潮流

进入21世纪，信息产业已成为世界科技强国zui重要的支柱产业之一，其发展水平对一个国家的经济增长、军事安全与信息安全等具有决定性意义，其重要性不言而喻。随着5G、云计算、人工智能、量子信息、大数据和物联网等信息技术快速发展，各类新兴产业不断涌现，人类社会正迎来新一轮伟大变革。在此背景下，信息材料和相关器件的发展进入快车道。2019年，美国、欧洲等发达国家和地区加快推进新型信息材料的研究与应用，低维材料、量子材料和智能材料等不断颠覆器件的形态，持续推动信息技术向高性能、低能耗方向发展。

2.1：信息材料研发为人工智能、大数据等信息技术突破提供可能

2019年5月，美国斯坦福大学的科研人员将聚合物基氧化还原晶体管与导电长车绪器((Conductivridge Memor，CBMD进行突成，研制出名为：高子浮理内存”(lon Floating Gate memory，IFG)的非易失性、可寻址的突触存储器。该突触存储器的工作原理与电池类似，它通过调高或调低两个端子间的电力流动来模拟人脑神经元的学习过程，并允许并行编程。通过稀释绝缘通道中的导电聚合物，研究人员可以将突出权重的读取电流降到10纳安以下。研究人员构造出一个3×3的人工突触阵列并进行验证，结果显示，其性能超出预期，能效比现有计算技术高一个数量级，能够支特超过1兆赫的读写频率：

2.2：自旋电子器件取得新进展，有望带来计算效率的极大提升

2019年3月，英国剑桥大学卡文油许实验室与德。捷克等国研究机构组成的国际团队在有机半导体领域取得新进展，为生产速度更快、能效更高的计算机带来了希望，有机半导体的自旋电子器件具有能耗低的优势，但其电子自旋传递距离短，限制了其商业化应用。国际团队人为地增加了有机材料中电子的数量，并使用自旋泵技术向材料注入纯自旋电流，成功将电子自旋传递距离增加至1微米。该技术可用于开发新一代计算机。

2019年5月，美国纽约大学(New York University)的研究人员开发出一种由电压控制的拓扑自旋开关(Voltage--controled Topological Spin Switch，VTOPSS)，VTOPSS只需电场而无须电流，就可以在两种布尔逻辑状态之间切换。该技术与现有的电子自旋技术和互补金属氧化物半导体技术相比更具竞争力，能够很大程度地降低逻辑器件的能耗和热量。测试结果表明，与全自旋逻辑器件和电荷自旋逻辑器件相比，VTOPSS的能耗降低了10~70倍。研究人员表示，VTOPSS这种异质结构器件的处理速度比硅晶体管稍慢，但它集成了逻辑与非易失性内存，增加了功能和电路设计的可能性。

2.3：新型半导体材料加速研发，应用范围进一步扩展

2019年2月，美国华盛顿大学、美国田纳西大学(The University of Tennessee)、美国橡树岭国家实验室和香港大学的科学家合作，通过将两种单层二维半导体材料----二硒化钼和二硒化钨堆叠在一起并进行扭曲，开发出可精确捕捉并操控数百激子的人工量子平台。通过改变两种二维材料的角度，科学家还可对捕获的激子进行精确控制。该研究成果为开发能精确监测激子的新型实验平台奠定了基础，有望推动新量子技术的研发。

2019年7月，英国卡迪夫大学(Cardiff  University)的科学家采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)方法，成功开发出一种由化合物半导体组成的新型雪崩光电二极管(Avalanche  Photo  Diode，APD)。新型APD具有灵敏度超高、数据传输速度快等特点，可用于高速数据通信和自动驾驶车辆的光检测和测距(Light Detcction And Ranging，LIDAR)系统。科学家表示，新型APD可在弱信号环境和低温环境中运行，并且能够与大多数通信供应商的光电平台兼容，未来有望大规模应用于激光雷达、3D激光测绘、自动驾驶和地震预测等领域。

3 . 日、韩持续关注新材料产业发展，致力于打造科技创新优势。

2019年4月，日本科学技术振兴机构(Japan Science and Technology Agency， JST)下属研发被略中心(CRDS》提出“下一代生物材料工程”战略建议。旨在创造能适应多种生物学环境、有效控制材料和生物体之间交互作用的生物自适应材料。

在战略建议中，CRDS分析了研发面临的桃战，并提出了应对措施：一是要认识材料和生物体交互作用产生的生物学现象：二是要开发能够应用于不同生物学环境的定量评价测量新技术和新仪器：三是设计和创造生物自适应材料；四是建立生物材料进入实际应用所需的评价平台。

2019年8月，韩国科学技术评价院(Korea Institute of S&T Evaluation and Planning，KISTEP)发布《2019年十大材料领域新兴技术》报告，该报告以可行性、市场潜力及技术创新为指标，从环境、生物、能源、电子等具体应用领域选出了十大新兴村料技术。分别为可生物分解薄膜、可代替感官装置的材料、3D打印人工器官、高效耐大固态电解质、交通行业快速充电电池、超轻量运输装置、适应极端环境的核融合村料、可弯曲显示器、自动控制生命周期的化学材料、结合可穿戴装置的扩织品。该报告重点分析了上述新兴材料技术的社会经济意义、实现障碍和创新解决方案。

三：对中国的影响与启示

全球新材料发展动向表明，2019年全球新材料开启了从基础支撑到前沿颠覆的跨越式发展，呈现出新时代发展特征，一些对未来具有颠覆意义的前沿新材料，如石墨烯、量子点、超材料、仿生智能材料、超导材料、柔性材料、光催化材料正加速发展，具有特殊优异性能的新材料品种不断得到开发和应用，其产业化进程也在加速。美国、日本、韩国等科技强国为抢占新一轮工业革命制高点，纷纷制定了相应的发展计划和预期目标，并实施相应策略，推进前沿新材料跨越式发展。

以高纯硅材料和芯片技术为基础的新一代信息产业数十年来一直发展迅速，特别是近年来顺覆性的前沿新材料技术取得突破性进展，如芯片制造已发展到7纳米水平，极大推进了信息技术的跨越式发展。2019年，信息技术发展的标志性成就主要表现在5G技术和区块链技术的发展。5G技术可大幅提高网速，深刻地影响能源、医疗、汽车、制造等现代产业，如自动驾驶、无人机物流、智能电网、智能工厂、虚拟现实等都能通过应用5G技术实现革命性的发展。区块链技术是以现代网络为基础，实现分布式数据存储和加密算法等功能的新型计算机应用技术，可能引发未来经济发展颠覆性的变革。

美、日等科技强国正加紧新型信息材料的研究与应用，典型的新型信息材料包括量子材料、二维材料及超材料等，这些材料的应用将颠覆未来的信息技术和器件形态，如量子计算机、微纳型芯片、超级存储器、新型图像传感器等都将受到新型信息材料的影响。中国信息材料的发展与全球同步，主要以芯片技术突破为方向，并取得了大量高水平的研究成果。今后，中国应提高自主创新能力和产业核心技术水平，突破高端芯片制造技术瓶颈，同时也应加速新型信息材料的研制，推动先进信息技术的跨越发展。

中国前沿新材料的发展基本与世界同步，特别是近年来，中国在研发投入、人力和资源配置、创新和体制改革等方面不断加大力度。但是，同先进国家相比，中国前沿新材料在自主创新、新型产品开发和应用、研究范式变革和高端产业化等方面还有一定差距。对此，中国对全球新材料的发展态势应有更充分的认识和把握，可重点在以下几方面实现标志性的突破。

一是加强材料科技前沿性基础研究，突出前沿性、颠覆性，加强高起点、高水平的前沿性基础理论研究。中国应选择材料分子和原子层面上的结构特点作为切入点，从宏观、介观、微观3个层面入手，从软件和硬件两个方面保证新材料研发和应用的高效运作、通过研究材料成分、组织结构、制造工艺、材料性能与材料应用之间的相互关系，开发出各种各样的高性能、多功能的新型材料。如超材料就是种通过对原子层面上的几何结构及大小进行设计和组合，从而得到的一种呈现出天然材料所不具备的超常物理性能的人工制备复合材料。国家在前沿基础研究方面发挥引领、支持和协调的重要作用，应确定部门职责、推进跨部门、跨额城全面合作，保证研究规范、有序、高效运作，取得高质量、高水平，时效性强的研究成果。

二是加强创新体系建设。中国应进一步优化前沿新材料的研发机制和产业化发展环境，充分做好新材料研发的顶层设计，培养和打造一批具有国际先进水平研究机构和高新企业，组合人才、资源、研发基础等优势，努力实现一批前沿性新兴术的突破：完善产学研机制，通过政策倾斜和资金支持，加速新材料研究成果的转化和产业化：加强人才队伍建设和高尖精人才培养，建立和完善创新驱动础设施，如开放式的研究机构合作平台、研发数据共享平台、研究人员交流互动平台等。

三是提高自主创新能力，推进研究范式变革，计算机技术的快速发展和应用。推动了新材料研究范式发生革命性的变化，2019年，新材料研究的“第四范式”发展迅速----“新材料研究的“第四范式”是目前全球材料研究方法革命性变革的体现，是种很有发展前景的新范式，中国在该领域已经形成了很好的发展基础，但在数字模拟方案的设计，可控编程及新开发品种的实际验证等方面还要继续提升能力和水平。中国要进一步做好新材料研究“第四范式”的推广应用，使之成为中国新材料研发zui重要的一种模式。