年度得到 · 孙亚飞材料科学前沿报告2022-2023.pdf

1、 年度得到年度得到 孙亚飞材料科学前沿报告孙亚飞材料科学前沿报告 20222022-20232023 目录 发刊词：在科技创新里，预见机会.2 01 碳化硅衬底氮化镓：第三代半导体材料如何扭转乾坤？.8 02 追踪：2021 年讲过的材料，商业化进展如何？.14 03 可电加热的芳纶纸：防弹衣材料怎么用在医疗领域？.20 04 高纯氢气：怎样让简单的分子有效抵挡病毒的侵害？.26 05 光纤传感器：如何利用超灵敏材料实现阿兹海默症早筛？.32 06 煤炭钾离子电池：两个“失败者”如何联手挑战锂电池？.38 07 生物质超级电容器：曾被“抛弃”的材料怎样被用在前沿设备上？.44 08 能发电的气

2、凝胶：最轻的固体如何变成“充电宝”？.49 09 蛋白膜材料：核污染问题有什么新的解决思路？.56 10 高效利用太阳能的水凝胶：怎样不靠钱实现海水淡化？.62 11 仿生向日葵：新材料怎么实现智能自主追光？.68 12 自充能脑机接口：怎么才能实现元宇宙里丰富的感官体验？.74 13 材料开发的新手段：人工智能会代替材料学家吗？.79 14 人工蜘蛛丝：怎样模拟出最强韧的天然纤维？.84 15 新型热电材料：怎么实现有温差的地方就能发电？.90 16 废弃塑料制沥青：怎么把废塑料变成健身跑道？.95 17 二氧化钛纸：怎样利用“缺陷”造出可重复使用的打印纸？.100 18 纳米材料毒性：尺度

3、不一样，毒性不一样？.105 19 碳元素单晶材料：碳材料新成员有怎样的新潜力？.110 20 离子液体：能够指导开发新材料的材料？.116 21 减少水库蒸发：怎样利用新材料应对极端气候带来的危机？.121 22 预制菜包装：新材料怎样实现食材保鲜？.126 发刊词：在科技创新里，预见机会 欢迎来到材料科学前沿报告（2022-2023）。相信你现在能够点进来听这篇发刊词，是认可，或者至少是好奇材料科学在现代社会中的重要地位。没错，那些不断取得突破的尖端科技，那些资本市场关注的风口浪尖，背后往往都有材料科学做支撑。你不信？我给你举个例子。2022 年，元宇宙非常火爆，你肯定有所耳闻，不管是技术

4、还是资本，都蜂拥而至。咱们在这里先抛开概念不谈，只说它的发展。很多人会认为，元宇宙的发展，那肯定是依赖算法的革新啊。但是，我要告诉你，它对新材料的依赖并不比算法低，而且很多功能必须要在材料上进行设计，才能有所突破。比如，想要带给人拟真体验，只是头显设备带来的视觉体验已经不够了，有人开始瞄准像电子皮肤这样可以带给人触觉体验的设备。那就需要新材料配合在一起，触觉传感器加上可变形塑料。没有它们，算法再厉害也不能给人仿真的触觉感受；再比如，不说各式各样的硬件装备拿什么材料设计，单说它们要启动运行，就需要消耗大量能量。这些能量从哪里来？直接使用电能也好，利用其他类型的能量也罢，都需要用到高效的能量转化材

5、料才行。我在今年的报告里就会讲到一种非常前沿的自充能材料，它能够收集人体发出的电能，直接给设备供能。有了这种材料，元宇宙未来的发展更加令人期待。看到桅杆，看懂信号 你看，这就是我的这份材料科学前沿报告的任务了。打个比方，我们就像在海边眺望海平线，等待船只。地球是圆的，我们最先看见的，不会是一整艘船，而是它的桅杆。对于在岸边眺望的人来说，看到桅杆特别重要。因为它是一种信号，告诉我们什么即将驶向我们，什么将发展成普遍的东西。所以，我的任务就是替你紧盯海平线，看到桅杆顶，在整艘船展现出来之前，让你先人一步，预见它们。我会去侦查实验室里的突破，前沿科技的创新，产业萌芽初期的进展，然后来向你报告，那艘船

6、它会是什么模样；替你判断，它会在什么方位跃出海面。在 2022 年的这份报告里，我会继续带你重点看一些热门的领域，比如医药、新能源、人工智能、民生以及基础科研。其中有不少“桅杆”，很可能是我的这份报告的独家呈现。比如，气凝胶，这是一个非常专业的名词，也是一类材料的统称。这种轻质而强力的材料，能隔热、能吸附，可以用在航天器上，也已经用在了新型汽车上。在今年的报告里，我还会再给你介绍一种神奇的气凝胶材料，它可以被用来发电。这是中山大学研究团队刚刚取得的突破，因为我自己做过相关研究，所以第一时间捕捉到了这一消息。至少在我写这一篇发刊词时，还没有看到对它靠谱的解读。还有一些“桅杆”，我会带着你用更大的

7、视野去看明白它发出的“信号”。比如，高端聚氨酯材料。我不只会告诉你，它是用来干什么的，它在工业领域的重要地位，我还会带你看它背后的大趋势。这个材料的发展，受国际局势的影响很大。俄乌冲突之后，中国迎来大批投资，其中就有世界最大化工企业之一的巴斯夫（BASF SE），它计划在广东投资 100 亿欧元，主要生产的就是高端聚氨酯材料。从这样一个材料出发，我带你看的是全世界新材料产业在中国聚集的态势，是产业布局发生的新变化。换句话说，在我的这份材料科学前沿报告中，你所看到的就好比一个赛马场。赛马开始之后，所有人都能看到选手表现了，猜中结果不足为奇。难的是，在比赛开始之前就划定一批种子选手，甚至 还能预判

8、这些选手上场后可能出现的状况。对即将开始的比赛，有前瞻、有预见，这就是我要为你做的。底气与信心 你现在肯定要问了，我凭什么能做成这件事？好，那我就来给你说说我的底气和我的信心。我的底气，很简单，这不是我一个人在“战斗”。我为了做好这份报告，请来了阵容强大的“科学家天团”。和每年一样，我还是做了很多线下的工作，其中最重要的部分，就是拜访一些学科泰斗，听他们的意见，从更高的维度挑选我们需要知道的发展方向。例如，清华大学化工系的金涌院士。他是我国煤化工领域德高望重的大工程师，由他主持的“流态化”技术更是世界一流。我今年三次当面求教金涌院士，聆听他的想法。他听到我在做这样一份报告时，鼓励我一定要坚持下

9、去。这份报告的第六讲，煤炭基钾离子电池电极材料，就是来自金涌院士的建议。除了他以外，还有很多科学界的院士、教授，都慷慨地回应了我的请教，为这份报告提供了极其宝贵的意见，他们还会对内容进行修正，确保科学性。这样一个“科学家天团”，给足我底气，为你呈现一份严谨、专业、经得起时间考验的前沿报告。我的信心，也很简单，因为我就是“干化学的”。我是清华大学的化学博士，是一位搞材料的专业工程师。我也曾经真的在工厂干过。北大本科毕业以后，我放弃了保送研究生的机会，而是先去工厂实打实地把理论研究落地。我见证过项目走出实验室，成为可交付的产品，最后走向市场的全过程。2022 年，我又有了一个新的身份。年初时，中国

10、科学院自然科学史研究所启动了一项工程，分析中外现当代的科研成果，研究各国是怎样实现科技自立自强，是国家“十四五”重点科研计划之一。这项工程和我所做的工作十分契合，我加入了这支科研团队。我还是一位知识服务者，在得到已经开设了两门课程，除了这份材料科学前沿报告之外，还有一门 30 讲的化学通识课。所以，我的这些经历让我有信心为你做好这份报告，用更大的视野带你去看材料科学的前沿变化，帮你预见到未来可能出现的机会。我的这份报告里，一共会讲到 21 种材料。每一讲的内容，都可以帮助你搞懂四个问题：这种材料具备怎样的前沿性？我们为什么需要它？它现在发展到什么阶段了？它将会影响哪些行业的发展？当然，你可能会

11、有点担心，这样一份报告，听懂它会不会门槛很高啊？我跟你讲个小故事吧。我在筹备这份报告的时候，有一位高中化学老师找到我，来问我今年报告什么时候上线，还想请我“剧透”一下，报告内容会侧重哪些方面。他说之前听过我的报告，发现可以把我讲的内容融合到教学之中，还在上中学的同学们反馈相当不错。所以，我可以拍着胸脯告诉你，门槛不高，一点也不高。只要你还依稀记得中学化学的知识，甚至就只是一些基本原理、一些简单名词，就绝对能听懂这份报告。我也会继续保持这样的风格与水准，让报告中的内容和日常生活、工作尽可能贴合，为你做好知识服务。我也要拜托你一件事，如果你在听的过程中，有疑问，有困惑，请一定留言给我，我来为你做进

12、一步的知识服务，我想和你共同探讨，解决问题。当然了，如果你在听到某一讲的时候，倍感振奋，请你把它分享出去。关于材料前沿的好消息，值得邀请更多人一起见证！我是孙亚飞，期待你加入课程。我们课程里见！01 碳化硅衬底氮化镓：第三代半导体材料如何扭转乾坤？每年我的这份报告都有一个惯例，就是选出这一年我认为的“年度材料”。什么样的材料才能被选中呢？首先第一条，不用多说，肯定要在当年出现巨大突破，这是基本要素。除了这一条，“年度材料”还要至少符合三个条件：第一，技术含量高。你想啊，如果不是技术含量足够高，采用了某种划时代的科技，怎么能从众多材料里脱颖而出？第二，你肯定也想到了，就是必须有足够大的影响面，不

13、能只局限在很窄的领域里；第三点，就是时间久，产品迭代的周期足够长，不能很快就过气了。这三点对于“年度材料”来说缺一不可。像我们之前讲过反雷达波的新材料，它能够吸收雷达波，骗过雷达，技术含量肯定非常高，产品的周期也确实很长，但是，不能被广泛应用在各种领域里，那我在选“年度材料”的时候，就不会选它。“旧”材料的新发展 好，说了这么多，我为 2022 年选出的年度材料到底是什么呢？它的全名叫：碳化硅衬底的氮化镓。不过，我必须向你承认，氮化镓这个材料不是一个新材料。你在购物网站上挑手机充电器，很多快充型充电器都会提到它的名字，说自己是“氮化镓充电器”。现在，随着新能源汽车产业的发展，给汽车使用的快充技

14、术也会用到氮化镓。所以，自 2020 年起，氮化镓就已经成为投资市场上的宠儿，它不算很“新”。但是请注意，我刚才说的“年度材料”的标准，它全都符合。碳化硅衬底的氮化镓，是第三代半导体材料，科技含量非常高。你想想看，被用来做芯片的材料，当然也是影响面大，关系到国计民生的方方面面。而且，一旦它得到应用，会改变接下来 15-20 年的产业格局，周期足够长。你看，这是不是非常值得关注的“年度材料”？好，接下来我先跟你说说，这个材料在 2022 年有什么样的“新发展”。2022 年 5 月，西安电子科技大学的郝跃院士团队宣布，他们在碳化硅衬底的氮化镓材料研究上取得了突破。说到这儿，我必须要敲下黑板，对于

15、从事新型半导体材料研究的人来说，郝跃院士的名字，那可以说是如雷贯耳。他的团队说取得了突破，那绝对值得仔细研究。不过，可能是考虑到芯片产业的国际竞争局势，新闻通稿中并没有交代太多内容，引起的讨论也不是很热烈。但是，我要告诉你的是，如果你还在担忧半导体技术被卡脖子的问题，那么这个材料可能会让你有一丝宽心。碳化硅衬底的氮化镓，简单来说，就是在一种叫碳化硅的基底物质上，又生长出氮化镓这种物质，把两者结合在一起，可以用来加工芯片。这里面，碳化硅被称为衬底，氮化镓被称为外延，所以叫碳化硅衬底的氮化镓。我先来跟你解释一下，这个衬底、外延是怎么回事。这是一种能实现高纯度材料的方法，叫化学气相沉积法，简称 CV

16、D。它的原理很简单，就是气态的 物质发生反应，缓慢地产生固体物质，然后在一片用作衬底的晶体上沉积。这种操作的优点是引入的杂质非常少。咱们熟悉的芯片材料，单晶硅，就是在硅的衬底上又生长出硅的外延。我们都知道，为了避免芯片运算时出现错误，对单晶硅的纯度要求非常高。现在，工程师们用 CVD 的方法，最先进的量产标准已经可以做到，一万亿个硅原子中只有一个杂质原子。用百分比表示的话，就是 99.9999999999%，小数点后还有 10 个 9。对，纯度非常高。我觉得甚至可以说，这代表了人类材料加工水平的最高峰。好，单晶硅已经这么厉害了，那我们刚才说，碳化硅衬底的氮化镓也能用来加工芯片，它又厉害在哪儿呢？首先，电子迁移率，这是评价半导体性能的重要指标。在这一点上，氮化镓就显著胜过第二代半导体材料砷化镓，更胜过第一代材料单晶硅。咱们开头说到，氮化镓能够用在快充充电器上，也是这个原因。除了这一点，单晶硅还有个缺点，就是很难胜任高温下工作的需求。你肯定体验过，电脑或者手机用的时间太久了会发热，运行的状态也会严重下降。而氮化镓，根本不怕这个问题。说起氮化镓的优势，就这么短短几句话，但其实，碳化硅和氮化镓