迎接材料革命的新高潮

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:1

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在现代科学领域，材料被列为三大支柱之一。在21世纪，高性能、多用途的先进材料将会更加显示出它强大的推动力，继续成为科学和工程研究的重点。材料科学技术的发展水平及规模，已成为衡量一个国家科技进步、综合国力的重要标志。
当前，有望获重大突破的热点是纳米材料、超导材料、生物医用材料、电子和光电子材料。
重要的生存策略
长期以来，工业化国家一直十分重视两种关系到本国生存和发展的材料：一是战略材料，二是关键材料。战略材料是指国家处于进攻或防御时必不可少的战略武器原料，并且这些材料在国际贸易中存在一定的局限性。关键材料是指支撑国家工业化、尤其是发展高科技所必需依赖的原料，这些材料中的大部分在国际贸易中是紧俏商品。
美国、西欧尤其是日本，近几十年来对上述材料的进口始终未放松过。例如，航空、航天以及其它高科技领域所需的钛，美、欧、日本所需的90%%以上依赖进口。为此，近几十年来，发展战略替代材料已成为许多国家面临的重要课题，而且越是工业发达国家，对战略替代材料的需求越迫切。另一方面，高科技产品的研制，对战略替代材料的依赖日益加剧。美国最重要的3种进口战略原料是钴、铬和锰，其用途涉及美国的航天、军工、电子和动力工业等重要工业部门。这些原料的主要产地在非洲，该地区政治局势的稳定性一直令美国担心，这就更加迫使美国加速开发替代材料。上世纪90年代，美国致力发展空间工业，对战略、关键材料的依赖加剧。例如，在航天工具上，多消耗钛可减轻重量数百千克，而每减轻1千克重量可节省数万美元。
目前，世界各国重视发展的战略新材料主要有三大类：高功能聚合物、高技术陶瓷和合成材料。这三大类材料的销售额2003年已超过1550亿美元，预计2008年以前的年均增长率可达10％—15％。能源、环境、电子、汽车、航天、发动机、机械、电器、工具、建筑、海洋、轻工业等工业部门都是战略替代材料的重要用户，发展这些替代原材料也就成为许多国家经济新的增长点。
推动产业政策变革
近年来，日趋成熟的超导材料正在大大提高能源利用效率，并在很大程度上影响着基础设施的投资方向。超导领域的最新进展将使21世纪的航运、铁路及其他基础设施面目一新。日本、美国、德国、荷兰等国已经在筹划开发新一代以磁流体动力推进器为动力的大型商船，它的航行速度可达65节。预计到2006年，有相当部分的铜缆将由超导电缆取代。
近年来，材料工程学正在发生根本性的变化，其显著特点之一是原本与传统材料科学无关或联系很少的学科，目前已成为发展新型材料的重要手段。例如，自80年代中期以来，用生物工程技术手段生产的新材料就达100多种，其中约1/3已进入商品化生产。美国马里兰州的奥夏它尼克斯生物技术公司研制的高强度粘胶，原料是一种名叫“萨瓦尼拉—考尔威里”的海洋细菌的分泌物，通过发酵过程将其制成生物胶。目前已用于船舶、航天器、耐腐蚀设备等工程领域，还可用于临床医学。
“碳60”的崛起
20世纪80年代中期，美、英科学家在烟囱灰中发现了由纯碳组成的、有别于石墨和金刚石的第三种结构“碳60”。此后长时期的研究证实，“碳60”(由60个碳分子组成)是一种极为神奇的材料，它可以成为开发成千上万种新材料的基元，例如可将钡、锶、钇和铀等元素加入“碳60”的分子结构中，形成一系列前所未有的分子结构，使新材料具有包括超导特性、超硬、特耐磨、抗辐射、半导体、耐高温等特性在内的优异性能。
纳米技术的突破
上世纪90年代后，由于各国在纳米技术领域的突破，使新材料的发展进入一个新的里程碑。科学家预测，5～10年内，将出现基于纳米技术上的高功能材料，其强度是钢铁的10倍，而重量仅及纸张的1/10。
纳米技术出现的重要性在于，传统的解释材料性质的理论，只适用于大于临界长度100纳米的物质。如果一个结构的某个维度小于临界长度，那么物质的性质就常常无法用传统理论解释。科学家正以极大的兴趣，试图在中等级别领域，即单个分子或原子级别到数十万个分子级别之内，发现新奇的现象。

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