新型材料的未来想象空间有多大

 

·对新型材料的精细化学调控离不开人们对微观世界理解的加深。在这个比头发丝还要细得多的纳米尺度下，科学家们能够对材料进行更为细致的改造，也发现了很多新现象。

·除了航天航空等高科技战略领域之外，新型材料对于节能减排、可持续发展的意义同样重大。

随着纳米科技、精准化学、人工智能等科学技术的发展，越来越多的新型材料被构思和制造出来。这些材料有的更轻更强，有的具备高效催化、感光、导电等独特性能，还有的甚至能够自行移动、自组织和自再生，宛如活物。它们在工业制造、绿色能源、机器人等领域有广阔的应用前景。

9月8日，“2024年浦江创新论坛——未来材料：交叉创新与可持续发展专题论坛”在上海市闵行区“大零号湾”科创大厦举行，来自政府、高校、科研机构、行业企业等300余位专家、学者及企业家代表参加会议，共同探讨未来材料研究的发展趋势和应用前景。

会上，5位来自中国、德国以及土耳其的材料科学领域顶级专家向与会者发表主旨演讲，内容涵盖纳米机械催化、微型折叠机器人、仿生材料、制氢催化组件等多个主题，向听众展示了新型材料的研究前沿与应用场景。

从材质到结构，从仿生到“创生”

在人类探索新材料的历史中，合金无疑是最为重要和悠久的领域之一。通过将两种或两种以上的金属等化学物质混合在一起，合金能够展现原先不具备的性能和样貌，如青铜（锡铜合金）和钢（碳铁合金）等。

后来人们又发现，往金属或者合金基底中继续添加碳、石墨、陶瓷等增强材料，又能进一步提升或改变金属性能，被称为金属基复合材料（MMCs）。近年来，金属基复合材料迅猛发展，在航天、汽车、生物工程等领域不断取代传统材料。

尽管金属基复合材料具备更好的性能，应用也越来越广泛，但这种基于各材料之间“均匀复合”思路的技术也开始展现出短板。

“它的发展瓶颈在于其强度、刚度和塑性、韧性之间存在严重的倒置。金属基复合材料的强度增加时，它也会变得比传统材料更脆、更容易断裂。”中国科学院院士、上海交通大学讲席教授、金属基复合材料国家重点实验室主任张荻在其演讲中介绍道。

张荻认为，自然界的生物身上虽没有“铁甲钢衣”，其骨肉身躯却演化出了令人惊叹的优异性能：能够负重的甲虫外壳、强韧的贝壳、利于体内物质流通的藻类、对光线和温度敏感的蝶翅等等。这些特性的关键并非材质，而是经亿万年进化出的精细构型。

在师法自然生物构型的思路下，张荻及其团队对金属基复合材料进行了仿生学处理。受贝壳层叠堆砌结构的启发，他将经过纳米技术处理的微纳碳/铝复合铝片像砖块一样堆叠起来，形成一种砖砌结构。不同于传统的均匀复合材料，这种材料不仅强度高，韧性也强。这种纳米尺寸“砖砌式”金属基复合材料技术很快成为一种新典范，为各国研究者们所采用。

对于那些结构复杂、难以被自下而上构建的自然构型，张荻则将自然材料作为骨架模板，通过精准化学改性、配位的方式，将材质“置换”为金属等人工材料。这些结构也并非“无脑”继承，而是根据需要进行筛选并通过计算模拟，将自然构型进行拆分重组，并发现其中的新机理。

自然蝶翅对光线具有吸收、反射、聚焦等等优异性能。以其为模板，张荻及其团队研发出了“蝶翅”构型复合材料，不仅再现了自然蝶翅的精细结构，并通过构型-功能分析发现了该结构中的光增益耦合新现象与机制。这种结构的复合材料在光催化、光电转换、光解水等领域都能得到应用。

对新型材料的精细化学调控离不开人们对微观世界理解的加深。在这个比头发丝还要细得多的纳米尺度下，科学家们能够对材料进行更为细致的改造，也发现了很多新现象。

在演讲中，德国科学院与工程院院士、德国明斯特大学教授哈罗德·福克斯（Harald Fuchs）向与会者介绍了他在表面在位精准化学（on-surface precision chemistry）方面的研究进展。

表面在位化学是近十年来发展起来的新型精准化学合成方法。它通过激活前驱体分子在金属表面完成分子的活化、迁移以及偶联，制备传统合成法难以获得的功能分子及聚合物。福克斯指出，这种反应是通过分子内部作用力介导（intrinsic force mediated reactivity）而实现的。

福克斯展示了一类常用的表面化学分子——N-杂环卡宾（N-heterocyclic Carbenes，NHCs）。这种呈环状的碳烯化合物较为稳定，但在一定条件下展现出很强的活性，在催化领域有着广泛的应用。

经过活性处理之后，NHC就能与金属铜表面的铜原子结合，形成一个“不倒翁”一般的结构。福克斯及其团队惊讶地发现，其中一种特定的NHC（IMe，1,3-二甲基咪唑卡宾）在铜表面竟然能够借助化学键作用力将金属表面第二层的原子如同挖萝卜一样“挖”出来，并借势进行移动，如此反复。

对于福克斯来说，这很像电影《星球大战》中的球形机器人BB-8——它的球形身体和脑袋靠磁力连接。他因此将这类NHC称为“球形机器人”（Ballbot）。“我们原本以为它只是会让金属看起来有些不同，没想到改变了金属的结构。”福克斯告诉澎湃科技。

通过将铜金属表面原子排列成“沟壑”状结构，再放上大量的“球形机器人”，福克斯发现在没有外力作用的情况下，这些“机器人”开始默契合作，将铜金属表面重新“犁平”，“简直像有生命一样。”

与福克斯的“无意”发现不同，德国国家工程院院士奥利佛·施密特（Oliver G. Schmidt）致力于研发微型机器人，并将其运用于新型材料中。

在演讲中，施密特展示了他正在研究的“自折叠微机器结构”。在表面张力、界面张力或者体积变化所产生的应力作用下，材料会发生弯折。利用这一特性，研究者将这样的小材料组件组装起来，形成能够根据条件变化而弯折、进而改变状态的新型材料。

施密特将这一结构称为“微型折纸”（micro-origami）。通过它不仅能够制作微型线圈、微型天线、新型集成电路，还能制作可以卷成米粒大小的电池板、感应太阳位置而进行主动弯曲的太阳能板以及可以竖起来感知周围环境的人工毛发。

他还展示了柔性材料、太阳能电池、光学感应以及微型马达组装而成的折纸机器人“智子”（Smartlet）。这个约1立方毫米的微型机器人能够感应环境，与同伴进行接驳和自组装，形成各种形态以执行特定任务，如同生物细胞形成组织。

在施密特眼中，能够自我维持（self-maintenance）、自给自足（self-contained）以及自我再生产（self-reproduction），就是生命的特征，也是新型材料发展的重要方向。

新型材料为国铸器，助力可持续发展

张荻提出，科学研究不仅要在前沿进行探索，还要为国家重大需求进行关键突破并实现应用。新型材料的发展对于航天航空、军事工业等国家战略领域有着重要作用。

轻量化高性能金属基复合材料是高科技领域的战略性基础材料。张荻提到，1996年，以西方国家为主的33个国家签署了《瓦森纳协定》，通过控制清单和信息交换的方式，对技术和商品出口进行控制，其中就包括限制对中国金属基复合材料及技术设备的出口。

对此，进行新型材料技术攻坚十分必要。针对金属基复合材料界面调控难、加工成形难、复合效应不明的问题，张荻团队从理论模型入手，建立了多元体系相热力学与粘着功理论模型，可定量预测合金元素、温度场等对界面反应、界面结合与物相生成规律。在理论基础上他们又对工艺进行调整，成功研制了多种世界领先的高性能碳化硅/铝复合材料。

这些材料运用于中国“问天”“梦天”太空实验舱的太阳翼展开机构、“嫦娥”月球车的钩爪机构等，构件数量达10000余件，为航天任务的圆满完成作出保障。

除了航天航空等高科技战略领域之外，新型材料对于节能减排、可持续发展的意义同样重大。中国科学院院士、新金属材料国家重点实验室主任、北京科技大学前沿交叉科学技术研究院院长张跃在演讲中展示了新型材料在低碳炼钢中的作用。

他说，当前中国钢铁工业二氧化碳排放量为18亿吨，占全国总量约15%，是碳减排的主战场。而中国钢铁产量的90%来源于传统高炉-转炉技术路线，其中高炉炼铁碳排放量最大，占比73%以上，因此亟须研发新型低碳炼铁技术。

目前，氢冶金技术是低碳炼钢中最有前景的。通过光电、风电获得电能，然后使用这些电能去制备氢气，最后以氢气作为燃料来炼钢，整个过程将极大减少碳排放。其中，制氢的电力成本非常关键。当使用氢燃料的成本太过高昂时，就无法指望炼钢企业用其替代传统方式。

目前碱性电解水制氢技术是中国市场的主体技术路线，技术成熟度高，占据了90%的市场份额。该系统主要由碱性电解质溶液、电极以及电解槽组成。给电极通电，水分子就会发生电解反应，在阴极和阳极分解生成氢气和氧气。根据理论计算，这一过程需要的电压为1.23V。而由于溶液杂质、设备效率等原因，实际需要的电压远远不止。超过1.23V的部分被称为“过电位”。

电极是发生催化反应的部分，也是决定反应效率、减少过电位的关键。张跃及其研究团队研究了催化制氢过程中电极材料上的活性位点、反应路径和传质过程并对其建模，随后在其基础上对电极材料进行精准调控。通过纳米尺度原位刻蚀、异质结原位构筑和合金原位电沉积技术，成功研制出了新型纳米催化组件。

该组件制造成本降低35%，制氢电耗也降低了13%，单槽年节省电耗可达270万千瓦时。

可持续发展不仅是国家的战略，也是全人类共同的挑战。世界工业技术研究组织协会主席、土耳其科学技术研究理事会主席哈桑·曼德尔（Hasan Mandal）在演讲中指出，当前全球正面临多重风险，包括极端气候与生态变化。这些危机由多种因素导致，其中之一就是资源效率问题。

他提到，在每年全球投入使用的1050亿吨各种材料中，仅有9%被回收，这不仅造成了资源浪费，也对环境造成了伤害。

他认为，在这一语境中，关于新型材料的研发和使用应当从实际出发，采取负责任以及全球合作的方式，以共同解决世界的问题。

据悉，浦江创新论坛是由中国科技部和上海市人民政府共同主办的具有广泛影响力的高层次国际创新论坛。2024第十七届浦江创新论坛以“共享创新共塑未来——构建科技创新开放环境”为主题，探讨如何推动科技开放合作，积极融入全球创新网络，深度参与和引领全球科技治理，同世界各国携手打造开放、公平、公正、非歧视的国际科技发展环境。

（原题：《浦江创新论坛上的大咖：新型材料的未来想象空间有多大》）