读2025世界前沿技术发展报告44前沿新材料

1. 前沿新材料

1.1. 新材料的探索与创新已成为推动科技进步的核心动力

1.2. 不仅展示了人类对物质世界的深刻理解和创新能力，更为未来科技的发展提供了坚实的基础和无限的想象空间

2. 超导材料

2.1. 超导材料是指可以在特定温度以下，呈现电阻为零的导体，根据转变温度的高低可以分为低温超导体和高温超导体

2.2. 凭借其零电阻、完全抗磁性、高能量传输效率及特殊量子效应，在电力传输、医疗成像、粒子加速器、量子计算及磁悬浮交通等领域具有独特的应用价值

2.3. 韩国开发出常温常压超导体

• 2.3.1. 完全抗磁性“迈斯纳效应”是指超导体可以悬浮在磁铁上方，证明其有完全抗磁性，即磁场不能穿越超导体内部

2.4. 美国开发可精确检测超导体特性的工具

• 2.4.1. 将量子传感器集成到标准的压力感应设备中，从而可直接精确读出加压材料的电和磁性质

• 2.4.2. 不仅可帮助科学家发现新的超导氢化物，还可更容易地研究现有超导材料

2.5. 中国成功合成新型高温超导体

• 2.5.1. 根据抗磁性数据估算，该单晶样品的超导体积分数高达86%，证实了镍氧化物的体超导性质

• 2.5.2. 呈现出奇异金属和独特的层间耦合行为，为理解高温超导机理提供了新的视角和平台

2.6. 德国发现光诱导超导现象

• 2.6.1. 激光诱导可以在更接近室温条件下形成超导现象

• 2.6.2. 使用飞秒激光脉冲进行探测，以前所未有的精度和时间分辨率捕捉磁场的变化

• 2.6.3. 利用一个“旁观者晶体”来测量样品周围的磁场变化，增强实验的准确性

2.7. 美国公布世界上性能最高的高温超导线段制备成果

• 2.7.1. 公布一项基于稀土钡铜氧化物（REBCO）的超高性能超导线材的制备成果，为世界上性能最高的高温超导线材，同时性价比指标显著提高

2.8. 多国在磁性超导调控方面取得进展

• 2.8.1. 超导能隙振荡的手性可以被施加的外磁场调控成顺时针或者逆时针旋转

• 2.8.2. 研究团队探测到的能隙振荡的空间能量分辨率达到了1微电子伏特量级，刷新了此前由美国康奈尔大学在2023年创造的10微电子伏特量级的世界纪录

2.9. 中国发现首个铌基富氢超导材料

• 2.9.1. 在过渡族金属氢化物超导新材料研究上取得进展，研制发现首个铌基富氢超导材料

• 2.9.2. 进一步拓展了富氢高温超导材料的范畴，为高温超导机理研究提供了新素材

2.10. 英国成立了新业务部门，专注于推进高温超导磁体的开发

• 2.10.1. HTS磁体技术除磁约束聚变的应用外，还可用于物理研究、可再生能源、储能、电网等领域

2.11. 美国利用人工智能推动复杂磁性和超导材料的发现和设计

• 2.11.1. 推动用于能源和技术应用的复杂磁性和超导材料的发现和设计

• 2.11.2. 结合人工智能和机器学习技术，从极其庞大和复杂的可能解决方案集合中找到正确选项，加速新材料的发现，并加速新技术的应用

2.12. 中国通过实验确认了新型镍基高温超导体结构

• 2.12.1. 制备了单相性良好的镨（Pr）掺杂的双镍氧层钙钛矿材料La2PrNi2O7多晶样品

2.13. 日本与欧洲企业联合开发超导电机

• 2.13.1. 超导电机没有或大幅减少电阻热，电能转化为机械能的效率更高

2.14. 中国揭示了镍酸盐中高温超导电性的结构起源

• 2.14.1. 发现不同镍氧化物相的交织共生，对于实现双层镍酸盐中的块体高温超导电性具有不利影响

• 2.14.2. 通过用离子半径较小的稀土元素部分替代镧元素，可以有效地稳定双层镍酸盐结构，从而有助于制备高品质的单相样品

2.15. 美国利用超导量子处理器模拟合成电磁场推动新型半导体、绝缘体和超导体的发现

• 2.15.1. 利用超导量子处理器模拟合成电磁场，有望推动新型半导体、绝缘体和超导体的发现

• 2.15.2. 对于涉及磁场和电子行为的现象，难以通过量子计算机直接模拟

• 2.15.3. 该技术通过微调每个量子比特的能量，动态调整它们之间的相互作用，从而模拟出类似磁场作用下电子行为的现象

• 2.15.4. 研究人员可以在量子计算机中模拟各种材料的行为，为材料科学和凝聚态物理领域提供新的研究工具

2.16. 美国利用超级计算机研究铜基超导体

• 2.16.1. Summit每秒能够执行超过200千万亿次浮点运算，使其成为模拟复杂粒子相互作用的宝贵工具

• 2.16.2. 描述了粒子的能量如何因其他粒子的存在和相互作用而发生变化，对在高温甚至室温下有效运行的超导体有重要意义

• 2.16.3. 其意味着不再需要超冷条件来实现零电阻，有望应用于电力、医疗和高性能电子产品

3. 石墨烯材料

3.1. 石墨烯材料是由石墨剥层制造出几近透明的单层石墨，凭借超高载流子迁移率、卓越的热导率、极高的比表面积及出色的机械强度，在电子信息、能源存储、复合材料增强及生物传感等前沿领域具有变革性应用潜力

3.2. 美国研发出首个石墨烯功能半导体

• 3.2.1. 外延石墨烯会与碳化硅发生化学键合，并表现出半导体特性

• 3.2.2. 这种石墨烯半导体的迁移率是硅的10倍

3.3. 美国利用机器学习和石墨烯电池开发神经植入物

• 3.3.1. 结合机器学习方法和新一代高密度透明石墨烯电池，开发出一种神经植入物，可读取大脑内部深处的活动信息

• 3.3.2. 结合深度学习模型预测不同深度的神经元活动，实现了从表面信号预测深层神经活动

3.4. 西班牙开发出石墨烯基薄膜微电极

• 3.4.1. 开发出石墨烯基薄膜微电极，可用于神经接口植入技术，起到与神经组织建立电通信的作用，需要满足严格的电化学、机械、生物和微加工兼容性要求

• 3.4.2. 证明了EGNITE技术能够以卓越的清晰度和精度记录高保真神经信号，而且可提供高度针对性的信息神经调节

• 3.4.3. 该技术在高精度和高分辨率神经接口方面表现出巨大应用潜力

3.5. 中国阐明了ABC堆垛三层石墨烯中电子和红外声子之间的强耦合

• 3.5.1. 为理解ABC堆垛三层石墨烯中的新奇关联物态如超导、铁磁性等提供了新的视角

3.6. 西班牙通过石墨烯涂层提升口罩抗病毒性能

• 3.6.1. 通过使用石墨烯氧化物（GO）喷涂涂层，可以显著提升个人防护设备，特别是口罩的抗病毒效果

• 3.6.2. 通过将GO粒子整合到可生物降解的面料中，创造了一种更高效、更环保的口罩材料

• 3.6.3. 口罩面料的孔径小于病毒滴的大小，可以阻止病毒滴的吸入，而不影响口罩的透气性

3.7. 中国从月球土壤中检测到了天然石墨烯

• 3.7.1. 这些石墨烯可能是在月球早期火山活动或陨石撞击造成的高温高压环境下形成的

• 3.7.2. 有助于开发低成本的石墨烯生产技术，推动月球资源的探索和利用

3.8. 阿联酋与英国研究团队利用石墨烯开发计算机存储和逻辑功能设备

• 3.8.1. 通过使用一种被称为双门控（Double Gating）的技术，将石墨烯夹在非水电解质之间，并连接到每侧的栅极，以诱导电子流过薄片，研究人员能够独立控制质子传输和质子化学吸附，通过精确调整电极上的电压，能够增强质子在石墨烯中的垂直流动

• 3.8.2. 对二维材料电极-电解质界面的电子和离子传输特性的研究将激励多领域研究，如质子输运和两种导电状态（绝缘体和导体）之间的这种控制是强大的和可复制的，可以用来制造一个在计算机中同时执行存储和逻辑功能的设备

3.9. 美国开发新技术调控石墨烯等二维材料界面特征

• 3.9.1. 二维材料具有优异的电学和光学性质，其性能可通过静电栅控和范德华（vdW）堆叠来调节

• 3.9.2. 能够准确控制材料的扭曲角度，适用于石墨烯等二维材料，有助于发现具有拓扑特性的准粒子的性质，推动光通信和量子计算等领域的应用

3.10. 卢森堡开设其首个欧洲石墨烯纳米管生产工厂

• 3.10.1. 石墨烯纳米管是唯一能够在电极内创建超导电、弹性网络的可行方案，可提高电池的循环寿命、能量密度和安全性

3.11. 沙特阿拉伯公司推出了全球首个富含石墨烯的高性能碳纤维商业化生产项目

• 3.11.1. 石墨烯具有高硬度、导电性和轻质等特点，富含石墨烯的碳纤维复合材料可应用于国防、航空航天和可再生能源等领域

4. 智能材料

4.1. 智能材料，也称为响应材料，是一种能感知外部刺激，具有一种或多种特性的合成材料

4.2. 可以通过外部刺激以受控方式显著改变，如应力、温度、湿度、pH值、电场、磁场、光照或化学物质

4.3. 智能材料是许多应用的基础，包括传感器、致动器、人造肌肉等，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展

4.4. 日本开发将动能转化为电能的柔性织物

• 4.4.1. 开发出单向碳纤维增强柔性压电纳米复合材料，并基于该材料设计出一种新型高强度柔性设备，该设备可将人体运动的动能转化为电能

• 4.4.2. 单向碳纤维是一种仅在纤维方向提供强度的各向异性材料

4.5. 中国开发出新型双模态触觉电子皮肤

• 4.5.1. 开发出一种新型双模态触觉电子皮肤，实现了触觉信息的双向传输

• 4.5.2. 可以用于提高机器人的触觉能力，未来有望应用于智能假肢领域

4.6. 中国开发出基于一维光子晶体凝胶的新型迷彩皮肤

• 4.6.1. 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光子晶体（PC）凝胶的新型迷彩皮肤

• 4.6.2. 该材料的开发将促进迷彩皮肤在人工智能、软机器人和柔软可穿戴电子设备等领域的广泛应用

4.7. 韩国开发出磁性复合人工肌肉

• 4.7.1. 开发出了一种磁性复合人工肌肉，有望应用于太空探索和精确的军事任务等

• 4.7.2. 同时承受其重量数千倍的拉力和压缩力，拉伸率超过800%。通过激光加热和磁场控制等多种方法

• 4.7.3. 可远程控制该材料完成伸长、收缩、弯曲和扭转等基本动作，以及精确操纵物体等更复杂的动作，其能量转化效率达到了90.9%

4.8. 美国开发出随温度变化形状的天线

• 4.8.1. 一种可随温度变化调整形状的天线，利用增材制造技术和镍钛合金实现形态动态切换

• 4.8.2. 温控变形天线冷却时为扁平螺旋盘状，加热后变为锥形螺旋，可覆盖4～11吉赫兹宽频段，适应短程和远程通信需求

• 4.8.3. 一部设备即可替代多部传统天线，显著提升灵活性与效率

• 4.8.4. 具备广泛应用前景，特别适用于特殊作战、深空探测和移动通信等领域，其研发标志着天线设计的重大突破，为未来通信和航空航天技术发展提供了全新解决方案