作者單位：國家自然科學(xué)基金委員會 國家“863”新材料領(lǐng)域?qū)＜医M）
2009年度材料科技的進展
材料科技的進展成為人類進步的強大“引擎”?！督袢詹牧稀?007年在評價材料科學(xué)時,，將國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖,、掃描式探針顯微鏡,、巨磁電阻效應(yīng),、半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管,、美國國家納米技術(shù)計劃,、碳纖維復(fù)合材料,、鋰離子電池材料,、碳納米管、軟刻蝕,、超材料等作為50年十大進展,。到2009年，這一評價依然具有戰(zhàn)略性的指導(dǎo)意義。
2009年最典型的材料技術(shù)進展當屬美國波音公司787型“夢想”客機,，12月15日在美國華盛頓州首次完成試飛,。787項目于2004年4月啟動，新型客機載客量最高可達250人,，最大航程14000公里,。飛機大量采用碳纖維等輕型復(fù)合材料，達到了史無前例的50%,，新型客機具有排放量低,，比同等大小的其他型號客機節(jié)省燃油20%，并能讓乘客享受到更舒適的旅行環(huán)境,。波音787型“夢想”客機成為材料技術(shù)進步推動產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的一個范例,。
2009年材料科學(xué)最引人注目的事件莫過于瑞典皇家科學(xué)院因高錕等三人在“用于光學(xué)通信的光在纖維中傳輸?shù)耐黄菩猿删?rdquo;，將今年諾貝爾物理學(xué)獎授予了他們,。10月6日諾貝爾獎評審委員會如此形容高錕等在光學(xué)通訊上取得的開創(chuàng)性成就：“光流動在細小如線的玻璃絲中,，它攜帶著各種信息數(shù)據(jù)傳遞向每一個方向，文本,、音樂,、圖片和視頻因此能在瞬間傳遍全球。”實際上,，早在上世紀30年代,，已有用于內(nèi)窺鏡傳導(dǎo)光線的光纖，但由于光線在傳輸過程中損耗率過高,，傳輸光信號的光導(dǎo)纖維一直沒有取得進展,。1966年7月，高錕領(lǐng)導(dǎo)的課題小組在深入研究了玻璃介質(zhì)傳輸損耗后,，在《英國電機工程師學(xué)會學(xué)報》上發(fā)表了研究論文——《介電波導(dǎo)管的光波傳送》,，開創(chuàng)性地提出制造光導(dǎo)纖維主要材料的玻璃純度是減低光能損耗的關(guān)鍵，熔煉石英正是可以制造高純度玻璃的材料,。
1971年首條1公里長的光導(dǎo)纖維問世,，第一個光纖通訊系統(tǒng)也在10年后投入應(yīng)用；在隨后短短幾十年間,，全球光纖總長度已超過10億公里,，并以每小時增加數(shù)千公里的速度擴展，這一技術(shù)發(fā)明標志著通訊革命的晨曦,，使人類真正地進入了信息時代,，從而改變了全球通訊的面貌。如今,，人們可以在互聯(lián)網(wǎng)中暢游,、欣賞高清晰電視轉(zhuǎn)播節(jié)目,、與千里之外的友人通話，或者躺在病床上接受胃鏡檢查,，這些徹底改變著人類的生活方式,，主要歸功于英籍華裔科學(xué)家高錕發(fā)明的“光導(dǎo)纖維”。
2009年的十大科技成就中,，美國科學(xué)家用直線加速器相干光源在世界上首次制成超快X射線激光,，這是一種強有力的研究工具，能對進行中的化學(xué)反應(yīng)拍攝快照,，改變材料的電子結(jié)構(gòu),。令人矚目的是，中國上海同步輻射光源在歷經(jīng)數(shù)年的建設(shè)后,，2009年投入正式運行,，作為世界上第三代同步輻射裝置，為中國和世界材料科學(xué)和技術(shù)研究提供了強有力的手段和工具,。
石墨烯（Graphene）被《科學(xué)》列為2009年十大科技進展之一,，這是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種新型碳材料，可成為構(gòu)建其他維度碳材料（如零維富勒烯,、一維碳納米管,、三維石墨等）的基本單元。石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué),、熱學(xué)和電學(xué)性能,，有望在高性能納電子器件、復(fù)合材料,、場發(fā)射材料,、氣體傳感器、能量儲存等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,，石墨烯正迅速成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域研究的熱點之一,，其中包括制備大尺寸石墨烯薄膜、研制全新器件和石墨烯電子器件等,。
隨著對其性質(zhì)研究的不斷深入,，有可能成為電子行業(yè)硅材料升級換代的一類新材料。
美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校在甲烷和氫的混合氣中通過化學(xué)氣相沉積法在銅箔上制備出石墨烯,，首次證明在平方厘米區(qū)域內(nèi)幾乎全被單層石墨烯覆蓋,，開發(fā)出可以在一系列有機溶劑中制備分散的、化學(xué)改性的石墨烯薄片的新方法,。美國加州大學(xué)洛杉磯分校將氧化石墨紙置于純肼溶液中，將氧化石墨紙還原成單層石墨烯電導(dǎo)材料,，面積達到20μm×40μm,，產(chǎn)量是以前化學(xué)方法三倍以上,。韓國漢陽大學(xué)在石墨烯層上規(guī)整排列ZnO納米棒，制備出一種新型的ZnO-石墨烯雜化結(jié)構(gòu),，光透過率達70%～80%,。IBM Thomas J. Watson研究中心研發(fā)出速度最快的石墨烯晶體管，工作頻率為26 GHz,。英國曼徹斯特大學(xué)通過對石墨烯進行可逆加氫制備出一種全新的石墨烷材料（graphane）,。
2008年2月，日本東京工業(yè)大學(xué)Hideo Hosono教授的研究小組發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)材料LaO1-xFxFeAs的臨界溫度可以達到26 K,，這一突破性進展開啟了科學(xué)界新一輪高溫超導(dǎo)研究的熱潮,。隨后，科研人員在這一體系中展開了積極的實驗和理論研究,。中國的科研機構(gòu),，特別是中國科學(xué)院迅速開展了卓有成效的研究工作，在這一輪的高溫超導(dǎo)研究中占據(jù)了重要位置,。有關(guān)鐵基超導(dǎo)材料在2009年更多是側(cè)重于其性質(zhì)的基礎(chǔ)理論解釋,。隨著超導(dǎo)溫度的不斷提高，對其背后隱藏的科學(xué)原理的深入探究是超導(dǎo)材料領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展的推動力之一,。
自1991年碳納米管（CNT）被日本學(xué)者Iijima發(fā)現(xiàn)以來,，由于碳納米管具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能,，始終是材料研究的熱點,，2009年碳納米管物理性質(zhì)研究，如載流能力得到翻倍,，同時在醫(yī)學(xué),、能源等領(lǐng)域應(yīng)用研究不斷拓展，制備和產(chǎn)業(yè)化研究也取得了新進展,。美國麻省理工學(xué)院研究表明,，可以在無金屬催化劑下制備碳納米管，碳納米管在細胞中含有DNA破壞物質(zhì)時,，該物質(zhì)會與包裹CNT的DNA發(fā)生反應(yīng),，通過熒光狀態(tài)就可判斷出何種DNA破壞物質(zhì)。意大利里雅斯特大學(xué)和瑞士洛桑理工學(xué)院聯(lián)合研究表明,，CNT是一種理想的智能大腦材料,，可用做中樞神經(jīng)系統(tǒng)外傷性損傷治療的新型材料，碳納米電極還可以取代金屬用于帕金森氏癥等的大腦深度刺激治療,。美國戴頓大學(xué)研究發(fā)現(xiàn),，氮摻雜的碳納米管將有可能替代燃料電池中價格昂貴的鉑催化劑，從而有可能解決鉑資源不足及降低燃料電池成本,。美國,、以色列聯(lián)合研究小組開發(fā)出碳納米管產(chǎn)業(yè)化加工的新方法,。利用氯磺酸作為納米管的真正溶劑，能夠大批量加工納米管,。
2009年由于全球氣候變化和能源緊缺,，新能源材料在實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化、儲存和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)起到了關(guān)鍵作用,，其研究風(fēng)生水起,，以硅半導(dǎo)體材料為代表的太陽電池材料、以儲氫合金為代表的鎳氫電池材料,、以電極材料為代表的鋰離子電池材料,、燃料電池材料、相變儲能材料,、受控?zé)岷朔磻?yīng)堆材料以及其他儲能電池材料等,，尤以發(fā)電電池和儲能電池材料的研究最為突出。美國能源部布魯克海文國家實驗室,、德拉華大學(xué)和葉史瓦大學(xué)聯(lián)合研究小組將鉑和銠原子通過碳固載在SnO2納米顆粒上,，研制出燃料電池的新催化劑，可將乙醇高效地氧化成CO2等主要產(chǎn)物,。加拿大滑鐵盧大學(xué)開發(fā)出鋰硫電池,，電化學(xué)性能表現(xiàn)優(yōu)異，容量高達理論容量80%,，是鋰過渡金屬氧化物陰極能量密度的3倍,，且循環(huán)穩(wěn)定性較好。德國弗朗霍夫電子納米系統(tǒng)研究所通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)研制出重量<1 g,、厚度<1 mm新型電池,。
