2018年世界前沿科技发展态势及2019年趋势展望——新材料篇
本文为春节专题文章——“年度科技发展态势总结与展望”的第九篇新材料篇。
世界新材料领域2018年发展态势
科技强国纷纷将新材料作为未来研发优先事项。美国白宫发布《2020财年行政机构研发预算优先事项》备忘录，提出要开发先进材料和相关加工技术，包括高性能材料、关键材料和增材制造。欧盟委员会为其第九框架计划确定新的六大关键使能技术，其中先进材料和纳米技术作为一类关键使能技术，涉及高性能材料、智能材料、可持续材料、纳米材料、生物材料和二维材料等。韩国未来创造科学部发布《创新增长引擎》计划，将先进材料列为产业基础类的创新增长引擎，计划2022年成为世界第四大先进材料出口国，全球份额位列第五。
先进信息材料不断涌现，引领高技术领域颠覆式跨越。中科院物理研究所和日本东京大学合作开发出一种结构简单、制备容易的新型拓扑超导体材料，有望加速实现拓扑量子计算机，解决量子计算机“退相干”问题。荷兰格罗宁根大学利用掺杂铌元素的钛酸锶开发新型忆阻器，以模拟大脑神经元的工作原理，该技术或推动人工智能进一步发展。IBM公司与德国亚琛工业大学合作开发出基于玻璃态金属锑的新型单元素相变存储器，有望直接应用于“脑启发计算”等前沿技术领域。
新能源材料发展迅猛，推动相关产业加速变革。德国于利希研究中心利用不同类型的磷酸盐化合物制备出固态电池的阳极、阴极和电解质，充电速率比传统固态电池快10倍。美国西北大学采用掺有铬和钒元素的锂镁氧化物开发出新型正极材料，可大幅提高锂离子电池容量，并且性能稳定、不容易退化。英国布里斯托尔大学和剑桥大学利用聚合物开发出高度有序的晶体半导体结构，可用于开发高效太阳能电池和光电探测器。
人工智能技术加速新材料开发过程。瑞士洛桑联邦理工学院采用人工智能算法，对10万多种三维材料进行筛选后，发现大约2000种可剥离成二维结构的材料。美国西北大学将人工智能算法用于研发新型金属玻璃材料，使新材料的发现过程提速200倍。美国麻省理工学院利用人工智能算法自主从大量科技文献中搜集新材料的“配方”，检索包含“配方”段落的准确率高达99%，针对某个特定词语的检索准确率可达86%。
绿色、节能、环保成为新材料发展的最强动力。当前， 可持续发展已成为人类的共同理念。节能、环保、可循环、低碳等材料绿色化技术将是新材料未来发展不可逆转的趋势。近年来，欧盟、美国、澳大利亚、日本等发达国家均将绿色、可持续发展作为经济增长的重要方向，出台了一系列相关科技政策。2019年，氢能源技术、二氧化碳捕捉及转化技术、生物质高分子材料技术等将加速突破并广泛应用，为全球可持续发展提供物质基础。
新材料的作用由基础性向颠覆性跨越。在新一轮产业革命中，以人工智能、量子计算为代表的先进信息技术，以固态锂电池、氢燃料电池为代表的新能源技术等，其发展与突破都离不开新材料的研发。新材料在经济发展中的作用，逐渐从基础性、支撑性向颠覆性、引领性转变。2019年，先进信息材料、新能源材料、生物材料等领域将保持快速发展态势，继续引领前沿科技领域的颠覆性变革。
新材料研发加速向第四范式转变。随着超级计算机、大数据、人工智能、量子计算等先进信息技术的发展，新材料研发过程正在产生巨变。其中，材料基因组、量子化学等方法可为新材料研发提供海量结构化数据，人工智能技术可从海量数据中迅速找到因果关系。上述技术的应用，可使新材料的研发周期大幅缩短，制备成本显著下降。2019年，新材料研发将加速向第四范式转变，人工智能、大数据等技术在新材料开发中的作用将进一步突显。
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