材料里的乾坤

　　作為人類社會和經(jīng)濟發(fā)展物質(zhì)基礎(chǔ)的材料將來應(yīng)該以怎樣的模式發(fā)展下去?去新材料中淘金是否是我們這個時代最重要也是最時髦的生意？

　　本刊記者 王亦丁 程亞婷|文

　　最近幾年流行起來的“納米”，更早以前的“超導(dǎo)”，這樣的詞匯想必大家一定不陌

生了，它們在改變我們?nèi)祟惿�活中的作用，有的人或許已經(jīng)有所耳聞，特別是那些所謂添加了納米材料的某某產(chǎn)品的廣告。但是你真的了解這些被稱為新材料的技術(shù)了嗎？作為人類社會和經(jīng)濟發(fā)展物質(zhì)基礎(chǔ)的材料將來應(yīng)該以怎樣的模式發(fā)展下去?你是否知道新材料已經(jīng)成為我們這個時代重要的商機？

　　新材料同信息技術(shù)、生物技術(shù)構(gòu)成當(dāng)今世界高新技術(shù)的三大支柱。正在蓬勃發(fā)展的信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進制造技術(shù)和國防的高速發(fā)展，已經(jīng)對材料提出新的需求——元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽缫�求越來越小；航空航天、新型軍事裝備及先進制造技術(shù)等對材料性能要求越來越高。

　　新材料技術(shù)的突破將在很大程度上使材料產(chǎn)品實現(xiàn)智能化、多功能化、環(huán)保、復(fù)合化、低成本化、長壽命及按用戶進行訂制，這些產(chǎn)品會加快信息產(chǎn)業(yè)和生物技術(shù)的革命性進展，也能夠給制造業(yè)、服務(wù)業(yè)及人們生活方式帶來重要影響。

　　有識之士認(rèn)識到，材料，特別是新材料研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的水平與規(guī)模，已經(jīng)成為衡量一個國家科技進步和綜合實力的重要標(biāo)志。新材料的創(chuàng)新，以及在此基礎(chǔ)上誘發(fā)的新技術(shù)、新產(chǎn)品的創(chuàng)新是未來10年對社會發(fā)展、經(jīng)濟振興、國力增強最有影響力的戰(zhàn)略研究領(lǐng)域。

　　世界上很多著名的新材料企業(yè)以前都是鋼鐵、

　　OLED的神奇

　　1979年一個普通的夜晚，柯達公司的華裔研究員鄧青云博士回家途中，突然想起遺落了東西在辦公室，于是匆匆折回。不料，剛打開實驗室的門，黑暗中竟有東西在閃閃發(fā)光。原來，發(fā)光體是實驗所需的有機蓄電池。就在這樣的偶然中，作為信息材料新技術(shù)的OLED誕生了。

　　所謂OLED(organic light-emitting diode)，即有機發(fā)光二極管，是一種新型固體有機材料，它以薄膜形式實現(xiàn)，厚度不超過落在紙張上的墨水厚度。它的獨特性能就在于有電流通過時它會發(fā)光。光的顏色取決于有機分子的結(jié)構(gòu)，不同的分子結(jié)構(gòu)可以分別產(chǎn)生紅光、綠光或藍光，從而得到全彩顯示所需的RGB像素。因此，把薄膜材料沉積在一塊玻璃基板上加以封裝，就可以得到一個全彩平板顯示器。

　　作為以有機電致發(fā)光材料技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代平面顯示技術(shù)，OLED具有許多夢幻般的顯示特征，被業(yè)界公認(rèn)為是最理想和最具發(fā)展前景的下一代顯示技術(shù)。與

　　OLED的革命不僅在于平板顯示器，作為平面光源，在不久的將來OLED還將啟動照明系統(tǒng)的一場革命。OLED的使用，帶給使用者更多控制光的顏色的自由。此外，它還有節(jié)約能源的潛力。今年年初，歐洲20多家致力于有機電子材料與照明器具的頂級公司和研究機構(gòu)，聯(lián)合起來共同參與“用于信息通訊技術(shù)與照明設(shè)備的高亮度有機發(fā)光二極管”項目(OLLA)。該研發(fā)項目旨在增強OLED技術(shù)，以確保2008年具有高亮度白光的OLED能得以普遍應(yīng)用。

　　對于柯達公司來講，OLED完全是天賜良機。1979年，鄧青云博士很快就宣布了與有機發(fā)光二極管相關(guān)的第一項發(fā)明。柯達隨即為其申請了專利并將其應(yīng)用在20年后的產(chǎn)品中。大體而言，目前全世界的OLED分為兩大陣營——柯達公司選擇了染料或顏料為主的低分子材料作為OLED的發(fā)色材，而飛利浦公司以共軛高分子為主研制了PLED(Ploymer Light Emitting Diode)。

　　一些產(chǎn)業(yè)巨頭諸如柯達、先鋒、三星、飛利浦等，已經(jīng)在它們的產(chǎn)品上使用了OLED，借以得到比現(xiàn)有的呈像更為飽滿、光鮮和流暢的圖像。柯達的一款高端數(shù)碼相機LS633，采用了OLED作為反光鏡。先鋒則是利用OLED作為汽車立體聲系統(tǒng)的面板。市場研究公司Isuppli的副總裁Paul Semenza一語道破OLED的身份——“使用OLED，是產(chǎn)品區(qū)隔化的標(biāo)志”。

　　眼下道化學(xué)公司、摩托羅拉公司及施樂公司攜手進行的研發(fā)項目，正是希冀將來能像印刷報紙一樣，噴印出塑料電路。這項工作，可研制出分布有幾百萬個塑料發(fā)光點的電視墻紙，使墻紙成為電視機，或者使這種墻紙隨季節(jié)變換顏色。德克薩斯大學(xué)電氣工程師德塔巴拉普說：“未來5年內(nèi)，可能研制出與墻面大小相同的電視顯示器。”

　　2000年開始，全球掀起OLED研究和開發(fā)熱潮。目前全球有超過160多家企業(yè)涉足OLED相關(guān)研發(fā)，其中囊括了幾乎所有的電子和顯示產(chǎn)業(yè)的巨頭。從2000年到現(xiàn)在，按照出貨量的年平均增長速度超過了175%。2004年，全球OLED的銷售收入高達4.46億美元，比上年增長69.6%。研究機構(gòu)Display Search預(yù)測，到2008年世界OLED產(chǎn)業(yè)將增長到50億美元的市場規(guī)模。

　　新興市場的產(chǎn)業(yè)格局，也在發(fā)生變化。2004年以來，韓國和臺灣OLED一線和二線企業(yè)迅速成長，已經(jīng)雙雙擠掉了日本的龍頭地位。不容樂觀的是，歐美企業(yè)依靠持有大部分OLED核心專利技術(shù)的優(yōu)勢，繼續(xù)加強研發(fā)，特別是在高分子和柔性O(shè)LED技術(shù)方面的研發(fā)，并以授權(quán)的方式攫取OLED產(chǎn)業(yè)的高端利潤。

　　不過，OLED現(xiàn)階段的應(yīng)用還處于產(chǎn)業(yè)初期，它的運用主要還是集中在很多小尺寸的產(chǎn)品上，比如手機、手持游戲機，甚至剃刀。OLED與傳統(tǒng)的LCD技術(shù)相比有它固有的優(yōu)點，包括視角更寬、響應(yīng)時間更快、更堅固且重量更輕。然而，有機物質(zhì)對濕氣和氧氣的敏感性限制了其廣泛應(yīng)用，如果保護不當(dāng)，將會很快損壞OLED顯示器。

　　壽命還不足以與LCD對抗，這確實是OLED的致命傷。倘要解決這個問題，只要做到基板靈活、耐用，以及能夠把薄膜材料完美地密封起來，使用壽命的延長還是頗為樂觀的。至于OLED尺寸的突破，日前也已傳出佳音。2005年11月，劍橋顯示技術(shù)(Cambridge Display Technology)宣布成功開發(fā)了14英寸的OLED顯示屏。同時，該機構(gòu)還宣稱，未來更大尺寸的OLED顯示屏也將很容易的被開發(fā)出來。

　　2005年11月6日，中國內(nèi)地第一條OLED大規(guī)模生產(chǎn)線奠基儀式在江蘇省昆山市高科技工業(yè)園區(qū)舉行。由于這是中國“十五”863高技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項目，奠基儀式場面相當(dāng)隆重。有分析人士認(rèn)為，在技術(shù)和工藝仍然不夠成熟和標(biāo)準(zhǔn)化的OLED產(chǎn)業(yè)化初級階段，研發(fā)能力、資金實力、產(chǎn)品的市場定位和市場開拓等對涉足企業(yè)構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。OLED產(chǎn)業(yè)這種大的市場環(huán)境也限制和影響了感興趣的國內(nèi)企業(yè)在OLED領(lǐng)域的深耕。總體來說，在OLED產(chǎn)業(yè)化和研發(fā)方面，中國同世界的差距正在拉大。

　　在遺忘的邊緣

　　還記得1980年代的超導(dǎo)材料熱嗎？那時它真是紅得發(fā)紫，但是因為對其研究的進展緩慢，現(xiàn)在人們似乎已把它忘記。最近，由于美國在航天飛機上無重力實驗條件下取得的研究成果，這一切又發(fā)生了變化。美國國際航空航天中心有一家專門研究超導(dǎo)材料的機構(gòu)研制的第二代“高溫超導(dǎo)”材料電纜，造價與普通電纜相仿，但能通過的電流卻是后者的100倍。

　　1911年，荷蘭萊頓大學(xué)教授首次發(fā)現(xiàn)將汞冷卻到-

　　268.98℃時，汞的電阻突然消失，這種處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體被稱為超導(dǎo)體，超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟冉谐瑢?dǎo)臨界溫度。從此超導(dǎo)電性為人類所知，超導(dǎo)研究的熱潮開始興起。此后75年間，超導(dǎo)研究集中在單金屬元素和多元合金中，通常稱這些金屬或金屬合金的超導(dǎo)體為常規(guī)超導(dǎo)體。

　　由于以上的超導(dǎo)現(xiàn)象只能在液氦溫區(qū)出現(xiàn)，而氦是一種稀有氣體，因而大大地限制了超導(dǎo)的應(yīng)用，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只被提高到23K(約-250℃)左右。1960年代開始，人們一直在探索把超導(dǎo)臨界溫度提高到液氮溫區(qū)(77K)以上的辦法，這就是高溫超導(dǎo)研究。

　　1986年10月，瑞士科學(xué)家繆勒和德國科學(xué)家柏諾茲在研究氧化物導(dǎo)電陶瓷材料LaBaCuO時發(fā)現(xiàn)在30K以上有超導(dǎo)跡象。世界上立即展開了另一波高溫超導(dǎo)體研究熱潮，科學(xué)家們制備出多系列近百種超導(dǎo)體。中國科學(xué)家和美國科學(xué)家同時獨立發(fā)現(xiàn)了液氮溫度(77.3K)以上工作的銥鋇銅氧超導(dǎo)體。氧化物超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)高達130K以上，在某些方面的應(yīng)用也開始嶄露頭角。

　　在理論上，超導(dǎo)材料對電流的阻抗趨于零，用“高溫超導(dǎo)”材料制作的環(huán)行電纜中的電流可以永不停息地“盤旋”下去，而無需任何能量來源；而像銅電纜這樣的普通導(dǎo)體，其內(nèi)部阻抗將使傳輸中的一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，使用超導(dǎo)電纜代替這些銅電纜將大大增加電能傳輸效率。

　　剛具雛形的磁懸浮列車熱切盼望能使用更便宜、質(zhì)量更高的超導(dǎo)線圈：為衛(wèi)星定位定向的旋轉(zhuǎn)羅盤如能使用超導(dǎo)磁鐵制作光滑的軸承，會顯著改進衛(wèi)星的精密程度；如果宇宙飛船中的電動馬達線圈能使用超導(dǎo)材料，其體積可以減小到原來的六分之一，從而可節(jié)省寶貴的空間并大大減輕重量；如果人類要去火星探險，旅行期間，一臺使用超導(dǎo)電磁鐵的桌面超導(dǎo)電磁掃描儀將能產(chǎn)生人體組織的詳細(xì)圖像，從而可為保證宇航員的健康提供有效的醫(yī)療診斷。

　　但是，由于當(dāng)時能夠找到的超導(dǎo)體通常是陶瓷材料，陶瓷又硬又易碎，要找到一種工業(yè)方法將它們制作成既長又有韌性的電纜非常困難。實際上，最初的嘗試便令人大失所望：所謂的第一代“高溫超導(dǎo)”材料電纜的價格相對昂貴，約為普通銅電纜的5倍-10倍；更令人沮喪的是，它能通過的電流只是普通銅電纜的2倍或3倍，遠遠低于當(dāng)初預(yù)期的100倍，超導(dǎo)研究由此痛苦地進入了低潮。

　　超導(dǎo)材料基礎(chǔ)研究沉靜多年之后，2001年獲得了里程碑式的重要成果：發(fā)現(xiàn)了新型高溫超導(dǎo)材料——二硼化鎂；開發(fā)出世界上第一個塑料超導(dǎo)材料；發(fā)現(xiàn)碳60分子和一維碳納米管具有超導(dǎo)性。這些重大研究成果極大地鼓舞了科技界和產(chǎn)業(yè)界，人們相信室溫超導(dǎo)將一定會實現(xiàn)，超導(dǎo)大規(guī)模應(yīng)用的時代就會到來。工業(yè)界有識之士預(yù)計，到 2020年，與超導(dǎo)技術(shù)有關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值即可達到2000億美元。石油和化 工行業(yè)的企業(yè)家們無疑可以把眼光投向超導(dǎo)材料這個未來的高技術(shù)市場。

　　令人幸福的是，中國目前超導(dǎo)領(lǐng)域無論是基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用研究，都與世界先進水平相近并在某些分支領(lǐng)域水平相當(dāng)。中國科學(xué)院物理研究所超導(dǎo)國家重點實驗室主任聞海虎研究員說：“目前超導(dǎo)處于大規(guī)模應(yīng)用的前夜。未來10年是超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)開始角逐和競爭的關(guān)鍵時期，國家應(yīng)該持續(xù)投入，切不可半途而廢，錯失良機。”

　　小世界的苦惱

　　更多的科學(xué)家開始在全球各地編織納米的夢想，而納米技術(shù)的日新月異正在重塑全球商業(yè)新格局。在德國慕尼黑的一座實驗室中，一群工程師正在一套裝置前忙碌，裝置有可能大幅削減日用化學(xué)品的生產(chǎn)成本，如全球使用2000萬噸價值約140億美元的包裝材料聚苯乙烯，而若采用這種與納米技術(shù)有關(guān)的新型催化裝置，成本將降低一半。

　　納米(namometer)，一個物理學(xué)上的度量單位，1納米是1米的十億分之一，相當(dāng)于萬分之一頭發(fā)絲粗細(xì)。當(dāng)物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在1-100納米這個范圍空間，物質(zhì)的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，在1980年代中期被開始稱為納米材料。

　　科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了納米的巨大價值，其未來應(yīng)用將主要集中在半導(dǎo)體芯片、癌癥診斷、光學(xué)新材料和生物分子追蹤等四大領(lǐng)域。在生物技術(shù)領(lǐng)域，科學(xué)家希望納米能夠觸發(fā)遙控設(shè)備以用于加熱和殺死單一的癌細(xì)胞個體。在芯片領(lǐng)域，科學(xué)家們希望將納米級的半導(dǎo)體材料做成晶體管，從而讓一塊芯片上容納更多的晶體管，但受制于溫度，芯片制造的光刻技術(shù)已經(jīng)接近于極限。而在光學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家們試圖改變某些半導(dǎo)體材料的分子結(jié)構(gòu)，用于生產(chǎn)特定的光學(xué)器材。

　　正像美國科學(xué)家估計的“這種人們?nèi)庋劭床灰姷臉O微小的物質(zhì)很可能給各個領(lǐng)域帶來一場革命”。納米材料和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將對如何調(diào)整國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)的布局、設(shè)計新產(chǎn)品、形成新的產(chǎn)業(yè)及改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)注入高科技含量提供新的機遇。

　　各國政府也開始搶占納米技術(shù)的“制高點”--各國對納米的研究資助已經(jīng)在不到五年的時間中翻了七倍。美國政府自從2001年開始加大“國家納米計劃”的力度，并且制定了宏偉的目標(biāo)：到2010年培養(yǎng)80萬納米科技人員，確保美國在21世紀(jì)占據(jù)納米領(lǐng)域的霸主地位。日本通產(chǎn)省則從2001年實行了為期7年的“納米材料工程計劃”，每年投資50億日元，同時設(shè)立納米研究中心，成立了有268家大型企業(yè)參加的納米技術(shù)商務(wù)推進協(xié)會。

　　對于中國這樣一個大國，大力發(fā)展新材料研究是必須迎接的挑戰(zhàn)。2003年3月，投資2.5億元的中國國家納米科學(xué)中心成立。近年來，中國納米技術(shù)專利申請數(shù)已排世界第3位，僅次于美國和日本。但我國納米技術(shù)專利的申請領(lǐng)域，主要集中于納米材料方面，在納米電子學(xué)及納米醫(yī)藥學(xué)相對方面較少。在納米材料領(lǐng)域，我國專利質(zhì)量和國外相比也有一定差距，尤其是納米技術(shù)在電子信息與生物這些技術(shù)含量高的領(lǐng)域的應(yīng)用嚴(yán)重不足。

　　根據(jù)華盛頓伍德威爾遜國際學(xué)者中心的一位科學(xué)家所說，目前已經(jīng)有130種基于納米技術(shù)的產(chǎn)品投入到美國市場，而到2012年，這項技術(shù)的經(jīng)濟規(guī)模將達到1萬億美元。為此，納米領(lǐng)域的風(fēng)險投資已經(jīng)從1997年的幾乎為零升至2003年的3億美元，占美國所有風(fēng)險投資的5%以上，而美林公司也于2004年4月推出了納米技術(shù)指數(shù)，用于跟蹤這個新產(chǎn)業(yè)的股票表現(xiàn)。

　　然而，由于對未來的商業(yè)前景不確定，納米的商業(yè)前景正在經(jīng)歷尷尬。納米嚴(yán)格的科技工藝增加了商業(yè)化的時間和成本。如同生物技術(shù)公司，納米也需要巨額投資才能演變出商業(yè)產(chǎn)品。另外，如何在納米量級和宏觀量級之間建立有效的橋梁成為重大問題。將納米量級的設(shè)備同尺寸較大的導(dǎo)線連接時，技術(shù)上難以實現(xiàn)，在這種情況下，設(shè)備將毫無用處。麻省理工學(xué)院材料科學(xué)和工程學(xué)教授弗朗本斯科?史泰拉斯說：“目前關(guān)于制造納米量級小型設(shè)備的很多假設(shè)都不太合理。”

　　如同轉(zhuǎn)基因食品，納米面對的更大的挑戰(zhàn)在于納米研究所涉及的環(huán)境、健康和社會問題。對納米的擔(dān)心在于，從表面涂層或者其它產(chǎn)品上釋放出來的納米粒子可能造成一種新的化學(xué)污染，不僅如此，當(dāng)納米體積發(fā)生變化時，其屬性也會發(fā)生變化，而如何決定或者測定納米粒子毒性的方法仍然不成熟。有幾十篇報告甚至指出，納米粒子對從細(xì)菌到哺乳動物的所有生物都會造成傷害。

　　但是無論如何，納米研究目前還有許多基礎(chǔ)研究在進行中，在納米尺度上還有大量原理性問題尚待研究。中國科學(xué)院院士白春禮院士認(rèn)為，人類進入納米科技時代的重要標(biāo)志是納米器件的研制水平和應(yīng)用程度，納米科技現(xiàn)在的發(fā)展水平大概相當(dāng)于計算機技術(shù)在1950年代的發(fā)展水平，人類最終進入納米時代還需要30到50年的時間。“真正意義的納米時代還沒有到來。” 他說。(81213)