开发保护环境新材料

1、.：.；文章一师昌绪：我国应加快开发维护环境新资料 两院院士、有中国资料泰斗之称的我国著名资料科学家师昌绪在贵州安顺指出，为了实现经济社会的可继续开展，我国应加快开发维护环境新资料。2005年5月21日在贵州省安顺市举行的一场院士、专家巡讲活动上，师昌绪院士说，资料在消费过程中是呵斥环境污染最重要的要素之一，特别是量大面广的传统资料，甚至破坏环境。如消费吨钢和吨水泥的二氧化碳排放量分别为2吨和1吨；有色金属冶炼还要产生二氧化硫，呵斥酸雨；资料消费对水的污染更为严重。治理环境需求开发新型资料，为了保证社会继续开展，不能没有资料；为了社会的可继续开展，除了尽量少用资料以外，还要开发治理环境的资料。

2、师昌绪引见说，在上世纪，专家就提出了环境资料的概念。环境资料就是与环境相协调的资料；节约资源和能源，减少污染，可以回收，并提出全寿命环境协调性评价概念。近年来又强调生态设计，即以实现资源的有效利用、产品性能的提高、寿命的延伸、废料的回收以及再制造工程的实现等循环经济的实施。根据这一理念以期使资源的利用率提高10倍。近年正在开发的低碳、低合金钢提高强度一倍的任务(超级钢)，初步证明这是可行的。师昌绪以为，随着世界人口的添加，资源枯竭及环境破坏的加剧，正在制约着全球经济的增长。人类要想继续生存和开展，就必需改动目前的开展方式，走可继续开展的道路，这就是经济、社会与环境的协调开展。 文章二新资料产业

3、开展特点和趋势 新资料在开展高技术、改造和提升传统产业、加强综合国力和国防实力方面起着重要的作用，世界各兴隆国家都非常注重新资料的开展。随着社会和经济的开展、全球化趋势的加快，新资料产业的开展呈现出以下主要特点和趋势。1新资料多学科交叉性及多部门参与新资料与信息、能源、医疗卫生、交通、建筑等产业的结合越来越严密，资料科学工程与其他学科交叉的领域和规模都在不断扩展，如生物学、医学、电子学、光学等。对学科交叉的认知和有力推进将对一个国家资料产业的超前开展起到举足轻重的作用。新资料的开展还跨越多个相关部门，因此各国都努力于把资料开展纳入到产、学、研、官一体化的平台，以满足资料开发对各个部门提出的不同

4、要求。2新资料产业上下游进一步交融随着高新技术的开展，新资料与根底资料产业结合日益严密，产业构造呈现出横向分散的特点。根底资料产业正向新资料产业拓展，世界上很多著名的新资料企业以前都是钢铁、化工、有色金属等根底资料企业，利用积累的大规模消费才干、消费技术及充足的资金进入新资料领域。伴随着元器件微型化的趋势，新资料技术与器件的一体化趋势日趋明显，新资料产业与上下游产业相互协作与交融更加严密，产业构造出现垂直分散趋势。这种趋势减少了资料产业化的中间环节，加快了研讨成果的转化，降低了研发与市场风险，有利于提高企业竞争力。3新资料开展的驱动力由军事需求向经济需求转变从20世纪来看，国防和战争的需求、核

5、能的利用和航空航天技术的开展是新资料开展的主要驱动力。而在21世纪，卫生保健、经济继续增长以及信息处置和运用将成为新资料开展的最根本动力，工业和商业的全球化更加注重资料的经济性、知识产权价值和与商业战略的关系，新资料在开展绿色工业方面也会起重要作用。未来新资料的开展将在很大程度上围绕如何提高人类的生活质量展开。4新资料市场需求旺盛，产业规模急剧扩展随着社会科技的提高和新兴产业的快速开展，对新资料需求的种类和数量都大大添加，新资料市场需求前景非常看好。以新资料为支撑的新兴产业，如计算机、通讯、绿色能源、生物医药、纳米产业等的快速开展，对新资料的种类和数量需求也将进一步扩展。例如：2003年全球半

6、导体公用新资料市场规模为200亿美圆；磁性资料以15%的年增长率开展，估计到2021年，仅中国市场就需求永磁铁氧体50万吨，软磁铁氧体20万吨，钕铁硼磁体5万吨。目前全球生物医用资料的产值超越800亿美圆，估计2021年将到达4000亿美圆。目前世界纳米技术的年产值为500亿美圆，估计2021年纳米技术将成为仅次于芯片制造的世界第二大产业，年产值将达14400亿美圆。5新资料向多功能、智能化方向开展，开发与运用联络更加严密21世纪，新资料资料技术的突破将在很大程度上使资料产品实现智能化、多功能化、环保、复合化、低本钱化、长寿命及按用户进展订制。这些产品会加快信息产业和生物技术的革命性进展，也可

7、以给制造业、效力业及人们生活方式带来重要影响。总体来说，新资料的开展正从革新走向革命，开发周期正在缩短，创新性曾经成为新资料开展的灵魂。同时新资料的开发与运用联络更加严密，针对特定的运用目的开发新资料可以加快研制速度，提高资料的运用性能，便于新资料迅速走向实践运用，并且可以减少资料的“性能浪费，从而节约了资源。6跨国公司对新资料产业开展影响力加强跨国公司及其分支公司在新资料产业的开展作用显著，这些企业规模大、研发才干强、产业链完善，它们经过战略联盟、大量的研发投入、产业技术及市场规范制定并控制知识产权，寻求在竞争中处于优势甚至垄断位置，一些新资料产业出现了被大型跨国公司垄断的景象或趋势。半导体

8、硅资料市场和消费曾经构成垄断。2001年，信越、瓦克、住友、MEMC公司、三菱资料公司5家企业硅片销售占国际销售额的79.1%。有机硅资料那么是DowCorning公司、GE公司、Wacker公司和Rhone-Poulenc公司及日本一些公司根本控制了全球市场。有机氟资料那么是DuPont、Daikin、DN-Hoechst、3M、Ausimont、ATO和ICI等7大公司占据全球90%的消费才干，在全球居于统治位置。7新资料开展和生态环境及资源的协调性倍受注重面对资源、环境和人口的宏大压力，各国都在不断加大生态环境资料及其相关领域的研讨与开发的力度，并从政策、资金等方面都给予更大支持。资料的

9、生态环境化是资料及其产业在资源和环境问题制约下满足经济可接受性、实现可继续开展的必然选择。开发新资料将更加注重从消费到运用的全过程对环境的影响，资源维护、消费制备过程的污染和能耗、运用性能和回收再利用的问题。生态环境资料的三个特征是优良性能并节省资源、减少污染和再生利用。目的是实现资源、资料的有机一致和优化配置，到达资源的高度综合利用以获得最大的资源效益和环境效益，为构成循环型社会的资料消费体系奠定根底。8新资料产品规范化出现全球化趋势在经济全球化日益加强的背景下，能否在世界不同地方对同一资料采用一样的规范是至关重要的。各国资料及其产品数据规范不一致将会引起混乱、低效并添加本钱，不利于市场运用

10、的国际化。因此对资料供应商和用户来说，不同的国家以一样方式测试资料特性是非常重要的，对于新兴市场上的新资料，这种要求尤其剧烈。新资料产业开展热点1信息资料信息资料是最活泼的新资料领域，微电子资料在未来1015年仍是最根本的信息资料，集成电路及半导体资料将以硅资料为主体，化合物半导体资料及新一代高温半导体资料共同开展。光电子资料将成为开展最快和最有出路的信息资料，主要集中在激光资料、高亮度发光二极管资料、红外探测器资料、液晶显示资料、光纤资料等领域。2004年，在“国家半导体照明工程方案的推进下，我国半导体照明产业开展加速，关键技术获得突破，蓝光功率型LED芯片发光效率到达90mW，处于国际先进

11、程度；封装的功率型白光LED发光效率超越30lm/W，到达国际先进程度。建立了上海、大连、厦门、南昌4个国家半导体照明产业化基地，民营资本投资近37亿元人民币，我国LED产业迎来了快速开展的时期。2004年我国推出了激光电视样机，技术程度到达国际先进。在激光显示DPL晶体资料研讨方面获得重要成果。例如，全固态激光资料的生长、后加工和镀膜技术，高功率光学元件的镀膜技术，镀膜的直接检测技术等。2新能源资料新能源资料是开展新能源的中心和根底，开展方向是开发绿色二次电池、氢能、燃料电池、太阳能电池和核能的关键资料。当前的研讨热点和技术前沿包括高能储氢资料、聚合物锂离子电池资料、质子交换膜燃料电池资料、

12、多晶薄膜太阳能电池资料等。2004年，我国在高性能锂电池资料方面获得艰苦进展，为我国锂电池产业更大开展，特别是锂电池动力电池的开展发明了有利条件，突破了日本一统天下的局面，成为世界第二消费大国。我国自主开发的钴镍锰酸锂本钱仅为钴酸锂的一半，高温稳定性也大幅度改善，改性天然石墨球负极资料已研制开发并投入批量消费。近年来，我国太阳能电池开展很快，纳晶太阳能电池资料研讨获得了重要进展，其本钱估算0.5-1$/pW。假设效率到达5%，性能价钱比将超越非晶硅，有很强的市场竞争才干，成为值得关注的新型太阳能电池。3生物医用资料随着生物技术、医药技术、信息技术、制造技术、纳米技术和资料科学技术的迅猛开展与交

13、互交融，新型和新概念生物医用资料层出不穷。药物控制释放资料、组织工程资料、纳米生物资料、生物活性资料、介入诊断和治疗资料、可降解和吸收生物资料、新型人造器官、人造血液等代表了新的开展趋势和方向。在国家科技政策和方案资助下，我国生物医用资料已获得了长足提高,主要集中在骨科修复资料、药物控释资料、介入资料、组织工程支架资料等。我国组织工程资料以骨资料研讨为主，构成了以四川、上海、武汉、北京等多家单位为代表的格局。随着安泰科技股份、法尔胜等一些上市公司的介入及留学归国人员的创业活动，我国介入诊疗资料与器械产业化获得了较大进展。国内年产值到达2530亿人民币，国内市场占有率也有了较大提升，其中非血管和

14、心血管介入治疗产品国内市场分别到达70%和50%以上。4纳米资料与技术纳米资料与技术开展趋势一方面是开展纳米加工、纳米电子、纳米医疗以及机器人等未来能构成新兴主导产业领域的根底研讨；一方面是对如今的信息高科技产业和传统产业进展改造和提升。目前，国内规模较大的纳米产业主要包括特种纳米碳资料、纳米粉体资料、纳米复合资料、纳米改性的纺织品及医疗保健等领域。纳米资料的运用尚处于初级阶段，主要是利用纳米粉体资料的功能特性，对传统产品进展晋级。在纺织行业，纳米资料改性的功能纤维产品相继问世；抗菌抑菌、红外保温、负离子释放、自清洁、阻燃和防水防静电产品已进入市场；纳米涂料市场份额进一步扩展。在最新的纳米技术

15、研讨领域，我国也获得了重要突破，如我国研制出高稳定、可擦写的有机分子纳米存储资料，存储点尺寸为2个纳米，存储密度在1013比特/厘米2，是传统存储密度的105倍；在国际上初次创新提出GaAsSb/InGaAs非对称双量子阱构造，并在实验上获得室温1.3微米发光纳米资料在国内初次胜利研制出性能良好的1.21-1.28微米室温任务边发射激光器。5超导资料与技术超导资料与技术的开展趋势是不断探求更高温度超导体，实现高温超导资料产业化技术在能源、电力、挪动通讯、国防领域的运用。从目前国际上高温超导产业化运用的趋势来看，在继续改善BSCCO带材也称为第一代带材的同时，各国正在努力研讨开发一种在柔性金属基

16、带上涂以YBCO厚膜的涂层导体第二代高温超导带材。铋系高温超导线材目前已实现商品化，主要产业化中心技术被美国、日本、中国、德国等少数国家所掌握。我国铋系高温超导线材已实现了产业化，在超导资料的运用方面如超导电缆、超导滤波器等方面获得了突破性进展。2004年7月，北京云电英纳超导电缆的三相交流33.5米35kV/2kA高温超导电缆系统在云南昆明普吉变电站挂网运转胜利，标志着我国曾经掌握了超导电缆适用化的关键技术。这是全球第三组并网运转的超导电缆系统，综合性能优于前两组，多方面拥有自主关键技术。2004年3月，清华大学研制的超导滤波器系统在中国联通CDMA挪动通讯基站上现场实验获得圆满胜利。这是我

17、国高温超导技术在挪动通讯中的初次实践运用，各关键技术目的到达国际先进程度，成为继美国之后、第二个拥有此类适用中心技术的国家。6化工新资料化工新资料向高性能化、多功能化、精细化、低本钱化、消费全球化、工艺无害化、安装大型化、运用普及化、创新继续化、竞争猛烈化方向开展。随着催化剂技术、生物技术、纳米技术、组合化学技术的开展，加强了技术人员对于微观化学合成领域的控制才干，使得化工新资料新产品的合成更为灵敏，速度不断加快，效率也大为提高。公用性、功能性产品日益成为化工新资料领域中开展最快、研讨最活泼的领域。化工新资料由于涉及面广，与下游运用结合严密，因此成为边缘学科活泼的领域。如纳米技术与资料技术的结

18、合，生物技术、医疗技术与资料技术的结合，膜资料技术与过程控制的结合等等为新学科的不断涌现提供了时机。7高性能构造资料从世界上新资料的开展趋势看，钢铁资料和有色金属资料的消费不断在向短流程、高效率、节能降耗、干净化、高性能化、多功能化的方向开展；高性能构造陶瓷在坚持原有耐高温、高强度的前提下向强韧化、易成形加工方向开展；高分子资料向资料的微观设计、多层次构造调控、集成化、智能化、多功能化方向开展；复合资料以高性能、低本钱制造技术为开展重点，向资料设计-制造-评价一体化、功能化、智能化的方向开展。 文章三未来汽车：烧铁不烧油纳米金属燃料有望成为新型清洁能源 人类在享用汽车带来的便利的同时，也不得不

19、忍受汽车尾气呵斥的空气污染，而全球变暖和油价高起更让寻觅替代能源成了迫切的要求。太阳能汽车、氢燃料电池汽车、油电混合动力汽车应运而生。虽然它们正在获得越来越多的认可，却依然不尽如人意。比如售价不低或运用本钱过高，再比如性能上仍无法和汽油或柴油动力车媲美。有没有其他处理方案呢？美国田纳西州橡树岭国家实验室的科学家也在研讨这个课题，他们想到一种非常新奇的处理方法：以金属作为发动机的燃料。实验室的戴夫比奇博士以为，铁、铝、硼都可以用作新的替代能源。根据比奇的计算，运用特制的发动机和同等体积的金属燃料，一辆轿车的行驶间隔 是普通汽油动力汽车的3倍。而且由于熄灭的是金属燃料，它几乎没有污染，也就是说没有

20、二氧化碳、氮氧化物，也没有灰尘和煤烟。这种金属燃料甚至还可以被循环运用。只需将用过的纳米颗粒放到氢气环境下进展加热，他们就会再次成为可用的燃料。沉甸甸、冷冰冰的铁块中通畅蕴藏着能量，而且还能被点燃？这几乎不可思议，这样一来发动机的外壳要用什么物质来制造呢？不过，既然汽车可以用各种各样的燃料比如甲烷、煤粉以及火药作为来源，那么它为何就不能以金属作为燃料呢。现实上，正常形状下的铁是不能被用做燃料的，但是当铁块被加工成纳米级的微粒时，它就具有了很高的反响活性，将其点燃会释放出大量能量。神奇的纳米资料其真实燃料中运用金属并不是异想天开。由于纳米粉末具有极强的储能特性，将其作为添加剂参与到燃料中可大大提

21、高熄灭效率。火箭曾经在运用金属粉末作为燃料添加剂了，将一些纳米粉末添加到火箭的固体燃料推进剂中，可大幅度提高燃料的熄灭热和熄灭效率，以及改善熄灭稳定性。研讨阐明，向火箭固体燃料中参与0.5%纳米铝粉或镍粉，可使熄灭效率提高10%25%，熄灭速度加快数十倍。此外，火箭动力的鱼雷也运用了金属粉末。当然，火箭发动机运用金属的方法与这里讨论的汽车发动机有很大差别。当金属颗粒比如铁和铝与空气接触时，它的外表会生成一层氧化物，只需将其除去才能够点燃金属。这普通需求一个温度高于2000度的热源，氧化层将在这个温度下被汽化从而暴显露金属原子。这个要求对于火箭而言虽然容易，但对汽车发动机而言就成了一个难题。而对

22、于内燃机来说，另一个难题那么是一旦汽化的金属氧化物冷却就会凝固成为灰烬。橡树岭实验室的另一个科学家所罗门拉比诺夫对这两个问题非常熟习。早在20世纪80年代，当他还在乌克兰基辅的一个工学院做助教时，拉比诺夫的研讨小组就尝试在内燃机中熄灭微米级的铁颗粒。他们对发动机进展了改良使它可以耐受高温，然而氧化物灰烬会堆积在活塞、汽缸壁和阀门上从而堵塞发动机。他们当时因没能找到处理方法只好放弃。后来拉比诺夫去了美国，开场在橡树岭任务。2003年，他建议比奇和实际家博比桑普特重新开场研讨这个问题，这次他们运用的是纳米级的颗粒，比单个原子大不了多少。纳米资料包含了假设干个原子、分子，使得人们可以在原子层面上进展

23、资料和器件的设计和制备。几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合在一同时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质，这种“组合被称为“超分子或“人工分子。“超分子的性质，如它的熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和颜色及水溶性都有艰苦变化。当“超分子继续长大或以通常的方式聚集成大块资料时，奇特的性质又会失去。通俗来说，纳米资料一方面可以被当作一种“超分子，充分地展现出量子效应；而另一方面它也可以被当作一种非常小的“宏观物质，以致于表现出前所未有的特性。在实验中，研讨人员发现直径50纳米的铁颗粒比拉布诺夫原来研讨的微米级铁颗粒更容易熄灭：加热到250度，或者仅仅是一个火花就可以点

24、燃。随着研讨的深化，他们发现纳米金属颗粒有越来越多的神奇特性。纳米颗粒的单位体积外表积比外表积很大，因此容易熄灭。铁非常容易与氧气反响，所以假设许多铁原子同时暴露在空气中，氧化过程将产生大量热量从而点燃金属。为了防止这种反响，在制造纳米颗粒时普通要给它包覆一层氧化层。但即使有氧化层，极大的比外表积也使金属纳米颗粒只需少量热量就能在氧气分子中点燃。一旦点燃，纳米颗粒会很快熄灭，最高温度可以到达800度，在不会熔化合金发动机的同时也能有足够的能量供运用。更为重要的是，纳米颗粒与微米级颗粒不同，它熄灭的温度不会高到使本人汽化或熔化，只会产生氧化物颗粒，所以不会粘在汽缸壁上以致堵塞发动机。熄灭留下的氧

25、化铁粉末使比奇想到了金属燃料的另一个优势：氧化铁很容易再转换成燃料。他在氢气流中将氧化铁加热到425度，氧化铁又变回了铁原子，氢那么和氧结合生成了水。新燃料和新发动机接下来的问题就是如何才干把金属当作燃料运用。纳米颗粒熄灭很快，在大约1毫秒中就释放了全部热量。但要用作发动机的燃料，这么快的发热速度使热量无法被高效利用。在常规的内燃机中，每个熄灭的迸发时间可以继续520毫秒。为了限制熄灭速度，研讨小组把纳米颗粒紧缩成更大的簇，在减缓纳米颗粒与氧气反响的同时减缓了散热的速度。研讨人员经过控制簇的大小、外形和密度制造出了重1200毫克的纳米颗粒簇。虽然单个颗粒的熄灭时间只需1毫秒，最大的簇却能熄灭0.52秒。接下来，他们开场研制可以运用金属燃料的发动机。比奇以为将喷气飞机、车辆甚至发电站的燃气轮机改装成以金属为燃料并不困难，关键任务在于寻觅搜集熄灭废物的方法。另一种方案是采用斯特灵发动机，这种外燃机经过将汽缸中的气体和液体交