世界新材料领域2021年态势总结

人工智能、机器学习等技术助力新材料研发。美国西北大学和麻省理工学院使用人工智能技术构建了一种新的、易于使用的工具，通过识别材料的新特征，加快科学家发现可发生金属-绝缘体转变材料的速度。美国麻省理工学院通过机器学习优化具有多种特性（如韧性和抗压强度）的新型3D打印材料，将加速新材料的研发进程。美国西北大学和丰田研究所成功应用机器学习指导新纳米材料的合成，消除与材料发现相关的障碍。德国亚琛工业大学和芬兰于韦斯屈莱大学开发基于机器学习和计算得出的描述符的系统，可用于寻找特殊种类的催化剂且准确性极高。

各国关注材料回收、二氧化碳转化制取清洁能源的技术，推动相关催化剂和低碳足迹材料研发。日本东京大学联合其他机构开发了一种工艺，通过回收废弃混凝土并将其与捕获的二氧化碳结合来制造新的碳酸钙混凝土。美国劳伦斯·伯克利国家实验室利用新技术改进用于辅助反应的铜催化剂的表面，提高了二氧化碳向液体燃料的转化效率。澳大利亚新南威尔士大学在室温下使用液态镓将二氧化碳转化为氧气和高价值的固体碳产品，未来可用于电池、建筑或飞机制造。

前沿新材料领域取得新进展，推动高技术产业变革。美国南阿拉巴马大学研发出一种富含纳米颗粒的新型碳纤维增强复合材料ZT-CFRP，其不仅比传统铝制结构轻，比钢更坚固，且与传统的碳纤维增强复合材料相比，不容易受到机械冲击破坏的影响。中国浙江大学、香港城市大学和韩国IBS低维碳材料中心共同开发了一种冷缩法制备大面积独立支撑超薄石墨烯纳米膜的方法，可以实现从基片上分离大面积（横向尺寸达4.2厘米）氧化石墨烯组装薄膜（纳米级厚度）。韩国首尔国立大学受自然界变色龙的“伪装”启发，将热致变色液晶层与垂直堆叠的、图案化的银纳米线加热器集成在多层结构中，制造出“人造变色龙皮肤”，并制作了一个软体机器人进行演示实验。

世界新材料领域2022年趋势展望

关键原材料供应安全受到全球关注，美西方欲构建关键原材料“国际联盟”。美国能源部宣布将在2022-2024年出资3000万美元，用于开发新技术，以确保构建清洁能源技术所需的关键材料供给，旨在使稀土和铂族元素的供应多元化，开发替代品并改善其回收与再利用。英国极地研究与政策倡议组织发布《五眼关键矿产联盟：关注格陵兰岛》报告，指出“五眼联盟”国家应加强与格陵兰岛的战略合作，增加对盟国关键矿产资源的供应，并减少对“稀土垄断大国”中国的依赖。美国、加拿大、澳大利亚共同启动“关键矿物测绘倡议”，旨在帮助各国政府及企业获得“多样化的钴、锂、稀土元素等关键矿物采购来源”，从而在全球向清洁能源时代转型过程中，弱化中国在全球稀土供应链的领导地位。为此，美国稀土公司致力于开发在哈德斯佩思县的“圆顶”（Round Top）矿区项目，该项目将于2022-2023年投入运营，采矿率估计为每天2万吨，而所有的矿物加工将在现场进行。

各国继续加强新材料布局，推出多项新材料研发计划，以支撑未来新兴产业发展。美国国家科学基金会发布2021年版“通过材料设计以变革我们的未来”（DMREF）计划，拟强化跨领域、跨机构间合作，并向25个研究项目资助4000万美元。此外，美国国家科学基金会还启动了“新兴量子材料与技术”（EQUATE）5年期研究计划，资助额度为2000万美元。美国白宫科技政策办公室和国家纳米技术协调办公室发布《2021年国家纳米技术倡议（NNI）战略计划》，提出未来5年具体目标和行动，以吸引全美各界参与，确保美国在纳米材料发现、转化、相关产品制造方面继续处于世界领先地位。日本内阁府公开发布《材料创新力强化战略》，提出到2030年应重点推进4项具体举措，即整合以数据为基础的材料研发平台、重要材料技术和应用领域的战略性推进、构建材料创新生态系统、积极培养并留住能够支撑材料创新力的人才。巴西发布了“先进材料的科学、技术和创新政策”，并设立先进材料指导委员会，就先进材料相关问题向政府提出有关政策和方案的制定和修订建议，确立目标和优先事项。

各国加快推动新能源材料产业发展，电池材料领域的竞争日益激烈。美国能源部发布《国家锂电池蓝图2021-2030》报告，提出未来10年打造美国本土锂电池供应链的五大主要目标和关键行动。荷兰特温特大学使用全新材料铌酸镍作为锂离子电池的阳极，将充电速度提高10倍，且不会导致电池损坏或缩短其使用寿命，预计2022年将进一步改进阳极，使其能够应用于能源电网、需要快速充放电的电动机器或电动重型运输领域。美国得克萨斯大学奥斯汀分校开发了一种高度稳定、能快速充电、可防止形成枝晶或表面腐蚀的新型钠基电池材料，并计划在2022年测试其是否可用于电动汽车以及存储风能、太阳能等可再生资源。日本东北大学多元物质科学研究所首次创造出不含有毒元素的N型硫化锡薄膜，预计将比P型硫化锡薄膜表现出更高的转换效率，计划在2022年开展相关验证实验。