產業觀察｜前世今生——12種顛覆性新材料的偶然發現

原標題：產業觀察｜前世今生——12種顛覆性新材料的偶然發現

時到今日，始于4月美國發起的“鋼鋁232調查”的新一輪中美貿易沖突已全面升級，而大國之間的博弈從來不只在沙場……

新材料是支撐經濟發展的基礎，是高技術產業的關鍵，其融入了眾多學科的先進成果，各國對新材料發展十分重視，顛覆性新材料尤甚。

然而，新材料的發現則往往伴隨著眾多偶然因素，有的甚至可以說是完全意外。這些意外發現并不僅僅是科研人員的幸運，與他們的敏銳觀察、精湛實驗和執著創新分不開，也與產業發展和政策支持密不可分。更多顛覆想象力的新材料一定會繼續源源不斷地出現……

引言

從貿易戰看新材料產業

2016我國新材料產業規模約2.65萬億元，稀土功能材料、先進儲能材料、光伏材料、超硬材料、特種不銹鋼、玻璃纖維及其復合材料等產能均居世界前列。我國新材料產業已經站在了全球競爭的新起點，也首當其沖成為了貿易戰的重點，美國7月6日列出的500億美元清單中包含了相當部分的精細化工和金屬等新材料產品。

在新材料產業發展過程中，偶然發現的新產品、新技術往往會另辟蹊徑，發揮極大的推動作用。在此我們梳理了12種顛覆性新材料的偶然發現過程。

1.愚蠢合金

金屬玻璃

▲發現：1959年，美國加州理工大學的迪韋茨博士在研究晶體結構時，偶然將高溫“金—硅”合金熔體噴射到高速旋轉的銅輥上，以每秒一百萬度的冷卻速度快速冷卻熔體，第一次制備了這種不透亮的金屬性質的玻璃。當時的一位物理學家看到這種材料時，曾嘲諷說這是一種“愚蠢的合金”。金屬玻璃是迄今為止最強的金屬材料和最軟的金屬材料之一，最強的鈷基金屬玻璃強度達到創紀錄的6.0GPa，最軟的鍶基金屬玻璃強度低至300Mpa。

▲應用：一是航天方面，衛星收集太陽能維持運轉的伸展機構等；二是軍工方面，制造穿甲彈等；三是能源方面，電壓變壓器芯體等；四是消費領域，手表表殼、高檔手機、筆記本電腦外殼等；五是汽車行業，重要零部件表面處理等。

2.無聲金屬

減振合金

▲發現：20世紀50年代初，英國人在研究合金，無意中將含有80%錳的“錳一銅”合金鑄塊掉在地上，實驗人員只聽到微弱的聲響，出乎意料的現象引起他們的極大興趣，并對其進行了深入的研究，終于獲得了具有極強減振特性的錳一銅一鋁一鐵一鎳合金，并稱它為“無聲合金”或“減振合金”。

▲應用：這種合金極大地提高了減振性能，現已有數十種減振合金問世，如鈷鎳合金、鎂鋯合金、鎳鈦合金和鐵鋯鋁合金等。在航空航天、汽車制造、土木建筑、高端裝備、鐵路裝備、家用電器等領域應用廣泛。

3.導電塑料

乙炔聚合物

▲發現：1970年，日本筑波大學的白川英樹教授讓他的一位朝鮮籍研究生用乙炔制取聚乙炔。由于這位學生日語不太好，聽錯了導師對實驗中應加催化劑量的要求，結果加入了應使用催化劑用量的近100倍，然而這一錯誤竟帶來了奇跡，得到了一種銀光閃閃的很像金屬的薄膜。后來發現，若在乙炔的聚合過程中摻入碘，所得的聚乙炔呈金黃色，導電能力提高了三千萬倍。前聯邦德國的納爾曼教授用白川英樹催化劑體系獲得聚乙炔后，立即進行特殊的熟化和拉伸取向處理，再給聚乙炔薄膜摻雜，結果得到的材料比摻碘的電導率又提高了3個數量級，與銅材料已基本相近。

▲應用：現在已用各類導電聚合物制成了發光二級管，此外還在傳感器、電磁屏蔽、催化等方面大顯身手。主要應用在計算機抗電磁屏幕、智能門窗、太陽能電池、移動電話乃至生命科學等領域。

4.永不粘鍋

聚四氟乙烯

▲ 發現：1938年，化學家羅伊·普朗克特本希望能生成一種新型碳氟化合物，他返回實驗室，查看在冷凍室里進行的一項試驗。他檢查一個本應該充滿氣體的容器，結果發現氣體都已消失了，僅在容器壁上留下一些白點。普朗克特對這些神秘的化學物非常感興趣，又開始重新做實驗。最終這種新物質被證實是一種奇特的物質，熔點極高。

▲ 應用：目前，已成功研制了一系列聚四氟乙烯不粘涂料，在儀器、儀表、建筑、紡織、廚具等領域廣泛應用。

5.二維材料

石墨烯

▲ 發現：2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·海姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發現他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。兩人因此在2010年共同獲得了諾貝爾物理學獎。

▲ 應用：石墨烯微片規?；a技術已經成熟，下游運用研發成果層出不窮。未來將在光電顯示、半導體、觸摸屏、電子器件、儲能電池、復合材料、生物醫藥等領域呈爆發式增長。

6.微納制造

納米材料

▲ 發現：1980年，德國物理學家格萊特到澳大利亞旅游，當他獨自駕車橫穿大沙漠時，空曠、寂寞和孤獨的環境反而使他的思維特別活躍和敏銳。他長期從事晶體材料的研究，了解晶體的晶粒大小對材料的性能有很大的影響，晶粒越小，強度就越高。如果組成材料的晶體的晶粒細到只有幾個納米大小，材料會是個什么樣子呢？或許會發生“翻天覆地”的變化吧！格萊特帶著這些想法回國后，經過將近4年的努力，終于在1984年制得了只有幾個納米大小的超細粉末，包括各種金屬、無機化合物和有機化合物的超細粉末。

▲ 應用：納米技術基礎理論研究和新材料開發等應用研究都得到了快速的發展。納米材料在傳統材料、醫療器材、電子設備、涂料等應用廣泛。

7.遇熱則強

新型熱固聚合物

▲ 發現：美國IBM研究中心開發者珍妮特·加西亞正在開發一種塑料，加熱過程中突然容器里的溶劑變硬了。最后她將容器用鐵錘砸破，但那個神秘的材料竟然沒有損壞。她不知道如何復制這種塑料，所以她加入了IBM的計算機化學小組，并用IBM的超級電腦反推制備過程，最終得到了反應機制，這種塑料叫做PHT。

▲ 應用：這是一種全新的塑料，或者更準確地說是一種新型聚合物，加熱后其硬度強于骨骼，重量與同體積普通塑料類似，具備重新塑形的能力，并且100%可回收再利用。新型聚合物材料在航空航天、醫藥、電子信息等行業用途極為廣泛。

8.不怕阻力

超導材料

▲ 發現：1911年，荷蘭物理學家昂納斯在研究金屬汞的低溫特性時，發現在4K(約零下269℃)時水銀的電阻驟然降到一個很小的數值(10)，這表明在低溫下電阻趨于零。昂納斯于1913年首次稱這種狀態為超導態，因此昂納斯教授獲得了1913年諾貝爾物理學獎。人們把這種零電阻現象叫做超導現象，把具有超導性的物質叫做超導材料。

▲ 應用：目前已相繼發現28種(金屬元素或單質)具有超導性，如鋯、鉬、鈮等；超導化合物和超導合金有幾千種，如鑭鋇銅氧化物、鈮鍺合金等。超導材料在超導計算機、超導磁懸浮列車、超導電車、電磁推進船、超導電纜、超導發動機以及無損耗變壓器等領域應用廣泛。

9.保持形狀

記憶合金

▲ 發現：1958年，美國海軍軍械實驗室冶金師布勒在研究鎳一鈦合金時意外發現，在不同溫度下鎳一鈦合金棒相碰撞發出清脆的聲音，而冷卻到室溫后，則發出喑啞遲鈍的聲音。他敏銳地意識到，溫度對合金的組織結構和硬度可能有很大影響。1963年，在一次實驗中，他從庫房中領取了彎彎曲曲的鎳一鈦合金絲，使用起來不方便，所以實驗前把這些合金絲一根根拉直，然后做實驗。令人驚異的怪現象出現了，實驗溫度升高到一定值時，這些原來拉直的合金絲突然無一例外地全部變成彎彎曲曲的形狀?？茖W家把這種現象稱為形狀記憶效應，具有這種效應的合金稱為形狀記憶合金，簡稱“記憶合金”。

▲ 應用：科學家在鎳-鈦合金中添加其他元素，進一步研究開發了欽鎳銅、鈦鎳鐵、鈦鎳鉻等新的鎳鈦系形狀記憶合金。記憶合金在生物工程、醫藥、能源和自動化等方面也都有廣闊的應用前景。

10.氫的海綿

貯氫合金

▲ 發現：1974年，日本松下電器產業中央研究所的研究人員，把鈦一錳合金和氫氣一起裝入容器后，驚奇地發現氫氣的壓力居然從1013.325kPa降到101.325kPa，所減少的氫氣是被鈦一錳合金“吃掉”了，而且“胃口”相當大，被鈦一錳合金吃進的氫氣要比它本身大1000至3000倍。由于這種合金在一定溫度和壓力下，會像海綿吸水那樣大量吸氫，故稱為“貯氫合金”或“氫海綿”。

▲ 應用：已研制成功多種貯氫合金，如TiFe、ZrMn 、LaNi 等，它們既可儲存氫氣，也可放出氫氣。主要應用在空調、熱泵及熱貯存、加氫及脫氫反應催化劑、氫化物—鎳電池氫的貯存、氫燃料發動機、熱—壓傳感器、氫同位素分離和核反應堆中等。

11.新型顯示

OLED材料

▲ 發現：1979年的一天晚上，在 Kodak公司從事科研工作的華裔科學家鄧青云博士（Dr.C.W.Tang）在回家的路上忽然想起有東西忘記在實驗室里，回去以后，他發現黑暗中有個亮的東西。打開燈發現原來是一塊做實驗的有機蓄電池在發光。這是怎么回事？OLED研究就此開始，鄧博士由此也被稱為OLED之父。

▲ 應用：OLED的產品已從試驗室走向了市場，主要應用在通訊領域、柔軟顯示及特殊用途等。2000年以后，產品的應用范圍逐漸擴大到手機顯示屏。OLED在手機上的應用又極大地推動其技術的進一步發展和應用范圍的迅速擴大，對現有的LCD、LED和VFD提出強有力的挑戰。

12.終結者

液態金屬

▲ 發現：液態金屬（Liquidmetal），也叫做“非晶態合金”（Amorphous Alloy），科學家在研究金屬結晶態時偶然發現，液態金屬的組成原子呈無序排列，無晶界，微觀結構均勻，無析出相。液態金屬具有很高的強度，其強度是不銹鋼的3倍，安全使用強度為1500 Mpa；液態金屬的彈性應變能量可達到19Mj/m2，而最好的彈簧鋼也僅為2.2Mj/m2。

▲ 應用：液態金屬極輕卻又極強、極硬，是超越鋁、鎂、鈦等傳統輕合金的顛覆性材料，它可一次性成型，無需機加工的繁復程序，可應用于3C、汽車、醫療等多個領域。

總結

偶然到必然

上述眾多顛覆性材料的出現促進了材料工業的巨大進步，未來還會有顛覆性材料偶然發現嗎？近幾年來，世界各國紛紛在新材料領域制定了相應的規劃，全面加強研究開發，并在市場、產業環境等不同層面出臺相應支持政策。

在產業技術進步日益加快的背景下，新材料產業呈現以下主要特點和趨勢：一是高新技術發展促使材料不斷更新換代；二是綠色、低碳成為新材料發展的重要趨勢；三是市場需求已變成促進新材料產業技術進步的主要動力。

我國2020年新材料產業規模預測將超過5萬億

新材料發展趨勢在產業鏈各環節各具鮮明特色

對新一輪科技革命、產業變革與我國經濟社會發展方式轉型升級交匯的關鍵機遇期，有必要加速新材料重大技術突破，重視顛覆性新材料和替代性技術的創新與應用。有關建議如下：

一是加大相關政策支持力度。加強對新材料基礎研究的投入，進一步加大對科技人員創新研發的獎勵和支持，著力突破新材料產業發展的工程化問題，建立相關的技術標準體系，完善產業鏈、創新鏈和資金鏈。

二是發揮市場資源配置作用。以企業為投資和應用主體，加強產學研用相結合，充分發揮市場配置資源的基礎性作用，提高效率和公平性，推動新材料快速融入全球高端制造供應鏈。

三是加強產業支撐體系建設。強化對新材料制備和檢測設備的研發支持。加強知識產權保護，開展協同應用試點示范，搭建協同應用平臺，推進新材料產業的結構調整和升級換代。

只有把握發展大勢，不斷加強技術創新和研發投入，偶然也一定會成為必然，新材料產業一定會不斷取得進步！

注：本期文章部分信息來源于新材料科技、新材料產業、知乎等