全球新型材料发展前沿概览

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1、全球新型材料发展前沿概览2009年度材料科技的进展材料科技的进展成为人类进步的强大“引擎”。《今日材料》2007年在评价材料科学时，将国际半导体技术蓝图、扫描式探针显微镜、巨磁电阻效应、半导体激光器和发光二极管、美国国家纳米技术计划、碳纤维复合材料、锂离子电池材料、碳纳米管、软刻蚀、超材料等作为50年十大进展。到2009年，这一评价依然具有战略性的指导意义。2009年最典型的材料技术进展当属美国波音公司787型“梦想”客机，12月15日在美国华盛顿州首次完成试飞。787项目于2004年4月启动，新型客机载客

2、量最高可达250人，最大航程14000公里。飞机大量采用碳纤维等轻型复合材料，达到了史无前例的50%，新型客机具有排放量低，比同等大小的其他型号客机节省燃油20%，并能让乘客享受到更舒适的旅行环境。波音787型“梦想”客机成为材料技术进步推动产业高速发展的一个范例。2009年材料科学最引人注目的事件莫过于瑞典皇家科学院因高锟等三人在“用于光学通信的光在纤维中传输的突破性成就”，将今年诺贝尔物理学奖授予了他们。10月6日诺贝尔奖评审委员会如此形容高锟等在光学通讯上取得的开创性成就：“光流动在细小如线的玻璃丝中

3、，它携带着各种信息数据传递向每一个方向，文本、音乐、图片和视频因此能在瞬间传遍全球。”实际上，早在上世纪30年代，已有用于内窥镜传导光线的光纤，但由于光线在传输过程中损耗率过高，传输光信号的光导纤维一直没有取得进展。1966年7月，高锟领导的课题小组在深入研究了玻璃介质传输损耗后，在《英国电机工程师学会学报》上发表了研究论文——《介电波导管的光波传送》，开创性地提出制造光导纤维主要材料的玻璃纯度是减低光能损耗的关键，熔炼石英正是可以制造高纯度玻璃的材料。1971年首条1公里长的光导纤维问世，第一个光纤通讯系

4、统也在10年后投入应用；在随后短短几十年间，全球光纤总长度已超过10亿公里，并以每小时增加数千公里的速度扩展，这一技术发明标志着通讯革命的晨曦，使人类真正地进入了信息时代，从而改变了全球通讯的面貌。如今，人们可以在互联网中畅游、欣赏高清晰电视转播节目、与千里之外的友人通话，或者躺在病床上接受胃镜检查，这些彻底改变着人类的生活方式，主要归功于英籍华裔科学家高锟发明的“光导纤维”。2009年的十大科技成就中，美国科学家用直线加速器相干光源在世界上首次制成超快X射线激光，这是一种强有力的研究工具，能对进行中的化学

5、反应拍摄快照，改变材料的电子结构。令人瞩目的是，中国上海同步辐射光源在历经数年的建设后，2009年投入正式运行，作为世界上第三代同步辐射装置，为中国和世界材料科学和技术研究提供了强有力的手段和工具。石墨烯（Graphene）被《科学》列为2009年十大科技进展之一，这是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种新型碳材料，可成为构建其他维度碳材料（如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨等）的基本单元。石墨烯具有优异的力学、热学和电学性能，有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量储存等

6、领域获得广泛应用，石墨烯正迅速成为材料科学和凝聚态物理领域研究的热点之一，其中包括制备大尺寸石墨烯薄膜、研制全新器件和石墨烯电子器件等。随着对其性质研究的不断深入，有可能成为电子行业硅材料升级换代的一类新材料。美国得克萨斯大学奥斯汀分校在甲烷和氢的混合气中通过化学气相沉积法在铜箔上制备出石墨烯，首次证明在平方厘米区域内几乎全被单层石墨烯覆盖，开发出可以在一系列有机溶剂中制备分散的、化学改性的石墨烯薄片的新方法。美国加州大学洛杉矶分校将氧化石墨纸置于纯肼溶液中，将氧化石墨纸还原成单层石墨烯电导材料，面积达到2

7、0μm×40μm，产量是以前化学方法三倍以上。韩国汉阳大学在石墨烯层上规整排列ZnO纳米棒，制备出一种新型的ZnO-石墨烯杂化结构，光透过率达70%~80%。IBMThomasJ.Watson研究中心研发出速度最快的石墨烯晶体管，工作频率为26GHz。英国曼彻斯特大学通过对石墨烯进行可逆加氢制备出一种全新的石墨烷材料（graphane）。    2008年2月，日本东京工业大学HideoHosono教授的研究小组发现铁基超导材料LaO1-xFxFeAs的临界温度可以达到26K，这一突破性进展开启了科学界新一

8、轮高温超导研究的热潮。随后，科研人员在这一体系中展开了积极的实验和理论研究。中国的科研机构，特别是中国科学院迅速开展了卓有成效的研究工作，在这一轮的高温超导研究中占据了重要位置。有关铁基超导材料在2009年更多是侧重于其性质的基础理论解释。随着超导温度的不断提高，对其背后隐藏的科学原理的深入探究是超导材料领域继续发展的推动力之一。    自1991年碳纳米管（CNT）被日本学者Iijima发现以来，由于碳纳米管具