读2025世界前沿技术发展报告41信息功能和生物医用材料

1. 信息功能材料

1.1. 信息功能材料是全球信息技术领域的关键研究热点

1.2. 涵盖半导体材料、数据存储与传输材料、显示材料、光电子材料、磁性材料及量子信息材料等多个分支

1.3. 凭借其独特的高迁移率、低功耗、高集成度及特殊电磁与光学特性，在电子信息、人工智能、5G通信及量子计算等高科技领域展现巨大应用潜力

2. 半导体材料

2.1. 罗切斯特理工学院研究人员发现了新一代的金属卤化物钙钛矿材料，能够在暴露于宇宙射线时自我修复

2.2. 中国电子科技大学和韩国浦项科技大学的研究团队突破性地研制出一种基于硒（Se）合金化处理的碲氧化物（TeOx）非晶P型半导体

• 2.2.1. 非晶体半导体材料具有成本低、易加工、稳定性高和大面积制造均匀等优点

• 2.2.2. 传统的非晶氢化硅电学性能不足

• 2.2.3. 学界普遍认为实现高性能非晶P型半导体“几乎不可能”

2.3. 中国科学院金属研究所研究人员发明出一种由石墨烯和锗等混合维度材料构成的“热发射极”晶体管，并提出了一种全新的“受激发射”热载流子生成机制

• 2.3.1. 该晶体管在室温下还表现出峰谷电流比超过100的负微分电阻，展示出其在多值逻辑计算中的应用潜力

• 2.3.2. 该研究开辟了晶体管器件研究的新领域，为热载流子晶体管家族增添了新成员

2.4. 北卡罗来纳大学研究人员开发出一项新的材料工程技术，可在原子水平上调控层状杂化钙钛矿（LHP）的结构

• 2.4.1. 不仅对LHP有效，还可以用来改良其他类型的钙钛矿材料，这对开发更高效的太阳能发电设备具有重要的推动意义

3. 数据存储与传输材料

3.1. 希伯来大学（Hebrew University of Jerusalem）的研究人员揭示了光学激光束控制固体中磁性状态的机制，为光控高速存储技术，特别是磁阻随机存取存储器（MRAM）和创新光学传感器的开发铺平了道路

• 3.1.1. 对于信息存储技术、量子计算、高性能传感器的开发具有重大意义

3.2. 清华大学研究人员开发出液态电阻式柔性随机存取存储器（FlexRAM）​，可用于柔性电路

• 3.2.1. 从根本上改变了传统的柔性存储概念，为未来软智能机器人、脑机接口系统、可穿戴/植入电子设备提供了理论基础和技术路径

3.3. 中国南方科技大学和中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究团队通过实验发现一类新型磁性材料—非常规反铁磁体

• 3.3.1. 有望成为理想的下一代自旋电子学材料，用于高密度磁存储器件等领域

• 3.3.2. 具有反铁磁体高稳定性、高密度储存信息能力、超快自旋动力学等性质

• 3.3.3. 易于探测和操控电子自旋状态、便于读写信息的功能

• 3.3.4. 非常规反铁磁体的发现，有望从信息密度和响应速度上突破目前自旋输运器件的极限，带来自旋电子学和磁存储领域的技术革命

3.4. 中国科学院上海光学精密机械研究所和上海理工大学的研究团队开发出一项纳米光子储存技术，提出了一种绿色、长寿命的大数据存储解决方案

• 3.4.1. 光存储技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长的独特优势，适合长期低成本存储海量数据，然而受到衍射极限的限制，传统商用光盘的最大容量仅在百吉字节量级

• 3.4.2. 新技术可以让单张光盘容量高达拍字节级，相当于至少一万张蓝光光盘的容量

• 3.4.3. 不仅有助于中国在存储领域实现突破，未来也有望应用于航空航天、生物医学、卫星通信等领域

3.5. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所等单位利用二维滑移铁电结构的独特性，创制了一种无疲劳铁电材料

• 3.5.1. 有望打破铁电存储器有限读写次数的限制，大大增加耐久性，从而能够在深海探测、航空航天以及柔性可穿戴电子设备等方面执行存储、传感、能量转换等关键任务

4. 显示材料

4.1. 开发出一种可见光波段光响应型钙钛矿发光二极管（PeLED）​，可用于制造集触控、成像、光伏等功能于一体的显示器件

• 4.1.1. 证明了金属卤化物钙钛矿发光器件在显示应用中的独特优势，为开发超薄、多功能显示器提供了新思路

4.2. 开发出一种新型纳米级光学成像技术，为二维材料和相变材料中的载流子动力学提供了新的观察机会

• 4.2.1. 能够以高空间和时间分辨率观察材料的纳米尺度行为，有助于优化基于这些材料的先进设备性能

4.3. 开发出具有多种机械性能的柔性有机晶体，这些晶体可实现可重构的光波导

• 4.3.1. 具有弹性弯曲、塑性扭曲和酸性弯曲变形特性，还可以通过质子化引起酸性变色

• 4.3.2. 通过控制这些晶体的发光颜色，可以实现多种光学输出，为轻量级和可穿戴电子设备的高级柔性光电子器件铺平了道路

4.4. n-PBDF是一种透明导电聚合物，既可用作导体，又可用作离子存储材料

• 4.4.1. 与传统上用于制造触摸屏和显示器的氧化铟锡（ITO）不同，n-PBDF具有高度的柔韧性和溶液可加工性

5. 其他

5.1. 开发出了世界上首个能够吸收各个频段99%以上电磁波的超薄膜复合材料，可有效提升无线通信设备的可靠性

• 5.1.1. 电磁屏蔽材料可避免电子元件发射的电磁波之间相互干扰引起的性能下降

• 5.1.2. 材料厚度不足0.5毫米，反射率低于1%，在三个不同频带上吸收率超过99%

• 5.1.3. 还具有柔韧和耐用的特点，即使折叠和展开数千次后仍能保持原有形状，非常适合用于可卷曲手机和可穿戴设备

• 5.1.4. 材料有可能显著提高智能手机和自动驾驶汽车雷达等无线通信设备的可靠性

5.2. 开发出一种超薄二维表面，该表面利用超材料的独特性质来操纵和转换卫星的无线电波

• 5.2.1. 该二维超材料厚度仅0.64毫米，通过将线性极化电磁波转换为圆极化，提高卫星和地面站之间的通信质量和信道容量，最大限度地减少极化不匹配和多径干扰造成的信号衰减

• 5.2.2. 该技术可利用传统的印刷电路板制造技术经济地批量生产，有望在未来几年内用于卫星载荷设备，且应用场景广泛，如用于地球表面扫描、气候变化监测和动物迁徙追踪等

6. 生物医用材料

6.1. 生物医用材料是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的材料，涵盖生物活性陶瓷、医用高分子材料、金属植入材料及组织工程支架等多个分支

6.2. 凭借其良好的生物相容性、优异的机械强度、生物活性及可降解性，在骨科修复、牙科材料、心血管植入及组织工程再生等医学领域具有广泛应用前景

7. 神经接口材料

7.1. 开发出带有数十个传感器的神经探针，可稳定地记录大脑中的单个神经元活动数月，或将改变脑机接口的生物电子学的设计

• 7.1.1. 有助于了解神经回路、开发高分辨率电生理信息的脑机接口、实现基于医疗设备的新型疗法

7.2. 名为“内泡神经接口（ECI）​”的微创神经接口技术

• 7.2.1. 可通过脑脊液通道连接大脑和脊髓，无需颅骨开口即可进行电记录和电刺激，降低了手术风险，为神经系统疾病的诊断、管理和治疗提供了新方法

7.3. 利用蝗虫开发出炸弹嗅探器，可检测和区分不同爆炸性气味

• 7.3.1. 将纳米电极植入蝗虫大脑获得一种生物机器蝗虫，可利用蝗虫敏锐的嗅觉系统探测和区分TNT、DNT、RDX、PETN和硝酸铵等不同化学zha药

• 7.3.2. 暴露于爆炸性气味的蝗虫的神经元活动能够在500毫秒内被分解成可识别的气味特异性模式

7.4. 在颅骨上打印出集成电力系统的无线神经接口系统，可直接在小鼠颅骨上3D打印出微型电池、神经探针等辅助电子设备，并通过与大脑的机械兼容最小化炎症和免疫反应

• 7.4.1. 为脑机接口提供生物适配、可定制的配置，是神经科学研究和生物医学工程领域的重大突破

7.5. 脑机接口植入手术创下在活人脑中放置电极数量的世界纪录，达到4096根

7.6. 开发出神经义肢接口，帮助截肢人士恢复“仿生行走”​

• 7.6.1. 通过手术与成对的动态肌肉相连，可将患者的神经控制信息传给外部义肢，并将义肢位置和运动感受回传给使用者，恢复其本体自然感觉

7.7. 在电极上集成了纳米厚度的可生物降解无机电子传感器，可以微创方式部署到人脑表面并自行展开，收集脑电图等大脑各种神经生理学数据

7.8. 实现了柔性生物电子器件的模块化组合

8. 组织工程材料

8.1. 结合生物心脏和硅胶机器人泵创造出一种生物机器人心脏，可像真正心脏一样跳动

• 8.1.1. 结合生物心脏和硅胶机器人泵创造出一种生物机器人心脏，可像真正心脏一样跳动

• 8.1.2. 可像真正的心肌一样扭曲和挤压心脏，通过模拟循环系统泵送人造血液来模拟生物心脏的跳动

8.2. 发现超分子聚合物可通过液-液相分离形成类晶簇，并认为超分子的液-液相分离行为可以成为一种通用方法，用来制造与细胞和组织有动态相互作用的生物材料

8.3. 开发出第一个3D打印的功能性人脑组织，该组织可像人脑组织一样生长和发挥作用

8.4. 利用3D生物打印技术开发了一种“芯片心脏”​，可以模拟人类心脏的机械和电活动

• 8.4.1. 有望实现更有效和个性化的药物开发，有可能彻底改变心脏病学模型和治疗测试

8.5. 利用人体组织中的脂肪细胞及其支持结构，通过3D打印技术精确修复了大鼠的伤口

• 8.5.1. 突破性进展首次实现了多层皮肤的术中打印，包括底层的皮下组织，该组织在伤口愈合和毛囊生成中发挥着重要作用

• 8.5.2. 对于人类的面部重建手术乃至促进头发生长的治疗具有重要意义

8.6. 改造了一种名为Caulobacter crescentus的细菌，使其产生BUD（Bottom-Up De novo）的蛋白质，这种蛋白质可以帮助细胞黏在一起并形成支撑基质

• 8.6.1. 可以承受更大的力，更好地适应环境变化，是3D打印或药物输送等应用的理想选择

9. 水凝胶材料

9.1. 使用纳米工程水凝胶开发出一种3D打印电子皮肤（E-skin）​，可模仿人类皮肤的灵活性和感官能力

• 9.1.1. 该技术在可穿戴健康设备、生命体征的持续监测以及残疾人运动技能的提高方面具有潜在的应用前景

9.2. 开发了一种新型的“剪纸水凝胶”技术，通过激光切割技术在纤维素纳米纤维薄膜上创造出特定的图案，使其在加水后能够膨胀成复杂的三维结构

• 9.2.1. 具有吸水性，可在水中显著膨胀

9.3. 开发出一种新型水凝胶半导体，具有高迁移率和高柔软度，能实现生物组织与机器间的信息传输

• 9.3.1. 通过溶剂交换法制备，保持了半导体的高性能，同时引入了水凝胶的多孔性、生物相容性等优势，表现出高度柔软的性质

• 9.3.2. 可用于高灵敏度生物化学监测、光热治疗贴片和可控药物递送体系等应用，为生物电子器件领域带来了创新突破

10. 其他

10.1. 暨南大学科研团队制造出莲藕丝微光纤，为发展环保型多路生物传感技术作出积极贡献

• 10.1.1. 该光纤直径小、生物相容性高、有源波导损耗极低，能在可见光范围内实现无源波导，可应用于pH值探测和细菌活性检测以及具备多种传感功能的组件等

10.2. 南京邮电大学研究团队受木蛙等两栖动物的启发，结合仿生概念和分子工程策略，合成出一种基于一维（1D）光子晶体（PC）凝胶的新型迷彩皮肤

• 10.2.1. 将一维光子晶体结构和3D柔性凝胶的优点结合在单个皮肤装置中

• 10.2.2. 利用其独特的结构，可以通过调节外部刺激的光信号快速识别和匹配背景

• 10.2.3. 具有优异的机械性能、自适应伪装能力和长期稳定性

10.3. 一种新型仿生电子皮肤（DES）​，该技术能感知液体滴落的滑动行为并将其转换为电信号，从而显著提升机器人的感知能力

• 10.3.1. 进一步优化DES的灵敏度和抗干扰性能，并结合机器学习技术，以实现更高级的感知功能，未来可能在军事、救援和日常生活中发挥重要作用

10.4. 开发出一种创新的电绷带，旨在利用电场促进慢性伤口的愈合

• 10.4.1. 配备有电极和小型生物相容性电池，通过将水滴激活电池产生电场，能够加速愈合过程

• 10.4.2. 该技术对于糖尿病患者的足溃疡等慢性伤口具有潜在的应用价值，有助于降低截肢和死亡风险，并且生产成本相对较低，每个敷料的成本仅为几美元

10.5. 开发出一种革命性的皮肤隐形技术，利用FDA批准的食用色素柠檬黄实现了活体小鼠皮肤的非侵入性透明化

• 10.5.1. 在整个实验过程中及之后的数周内，均未观察到任何明显的副作用

10.6. 研制出一款新型无线天线，能以前所未有的精度监测生物系统内的电信号

• 10.6.1. 包括微弱至2.5毫伏的来自心脏和大脑的信号

• 10.6.2. 有望为心律失常、阿尔茨海默病等疾病的诊断提供新途径，从而实现更有针对性的治疗

• 10.6.3. 只能用于细胞外部