新材料将掀起技术革命 石墨烯成首选!
科技迷
9小时前
新材料一直是科技行业发展突飞猛进的重要推动力,从泥瓦砖木,到铜铁铝钢,再到信息时代的半导体、碳纤维、石墨烯,伴随着文明和科技的进步,人类对材料开发利用的广度和深度逐步加大加深。人类祖先很早就学会利用天然石头制作石器工具,然后用火烧制陶器,用兽皮制作衣服,还学会用矿石炼制青铜及生铁等等,所有这些劳动过程实际上也是人类对新材料的开发及利用的过程,并且伴随着人类数十万年来技术的进步。
现代意义上的新材料涵盖广阔,包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、先进复合材料等等,种类繁多划分标准也多种多样。但不管怎样,作为高新技术的基础和先导,新材料的研究代表着人类对物质的认知和应用在向更深层次进发。新材料的发展,在促进信息、能源、交通、生物等技术革命的同时,对制造业、化工、建筑以及个人生活方式都产生着重大影响。调查数据显示,近十年来世界材料产业的产值以每年约30%的速度增长,其中化工新材料、微电子、光电子、
新能源成了研究最活跃、发展最快、最为投资者所看好的新材料领域,材料创新已成为推动人类文明进步的重要动力之一,也促进了技术的发展和产业的升级。因而,新材料也被称为“发明之母”和“产业粮食”。
尽管新材料是新技术的基础,并且在推动科技进步过程中发挥重大作用,但是新材料始终是一种中间产品,而真正改变世界的是建立在新材料基础上的最终产品。比如带来交通革命的是汽车,而不是轮胎,也不是制造轮胎的橡胶;带来信息革命的是计算机及
互联网,而不是半导体材料及光纤;让人类翱翔蓝天的是飞机,而不是航空铝材。由于每一个时期新材料的种类繁多,因而很难衡量单一材料对人类发展的贡献。
在人类的科技发展史上,每一次重大的技术变革几乎都体现在信息、交通、能源三大领域,很少体现到具体某种材料上,当然也有越来越多的新材料在改变人们的生活。实际上,新材料对人类发展的影响,最终会体现在终端产品上,众多新材料的开发及利用会通过提升终端产品的性能而推动社会的进步。比如汽车、飞机、计算机、手机等各时期的高科技产品,都包含大量的新材料技术,这些产品都曾经在相应领域掀起一场技术革命。
近半个世纪以来,半导体作为一种高科技材料被广泛应用于各种电子产品中,如计算机、移动电话、电视机、数码相机等,它是制造各种电子元器件的基础。现代电子计算机运行速度每隔18个月就提升一倍,最主要的原因就是计算机集成电路的性能得到快速提升。而集成电路的基础是晶体管,晶体管的制造则离不开半导体材料,因此半导体也是集成电路的基础。半导体之于集成电路,如同土地之于城市,有了土地才能建高楼大厦。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓(化合物),其中应用最广的、商用化最成功的就是硅材料。美国旧金山湾区南部最早是研究和生产以硅为基础的半导体芯片的地方,它是美国重要的电子工业基地,也是世界最为知名的电子工业集中地,是
英特尔、
英伟达、
思科等科技巨头的总部所在地,因而被称之为“硅谷”。
相比电子管的笨重、能耗大、寿命短、噪声大、制造工艺复杂,以晶体硅半导体为原材料的晶体管克服了这些缺陷,它的问世被誉为20世纪最伟大的发明之一,也是微电子革命的先驱。目前集成电路晶体管普遍采用硅材料制造,但是芯片性能的提升会受到硅材料尺寸的限制,当硅芯片制造工艺接近硅晶体的理论极限数字7nm,制造出的晶体管的稳定性将明显下降而且成本也直线上升。要想进一步突破现有芯片的性能极限,那么最佳的办法就是研发能替代晶体硅的新材料,而石墨烯材料就是被广泛认为具备这样的潜力。
石墨烯是目前世界上已知最薄、最坚硬的纳米材料,纳米级别的石墨烯具有出色的光、电、磁、热、力学等特性,自2004年首次从石墨中分离出来,短短十几年到今天已成为全球科技界的“新宠”。目前全球已有80多个国家投入石墨烯材料的研发,美、英、中、韩、日、欧等国家地区都紧急将石墨烯研究提升到一个未来技术创新竞争的战略高度。比如欧盟将石墨烯纳入“未来新兴旗舰技术项目”,计划未来10年投入10亿欧元的研究经费进行开发利用。对于石墨烯新材料的应用前景,华为公司创始人任正非认为:“未来10至20年内会爆发一场技术革命,这个时代将来最大的颠覆将是石墨烯时代取代硅时代!”。因而,石墨烯也被誉为“21世纪的神奇材料”,它的出现有可能掀起新一轮材料革命。