2021材料科学前沿报告.pdf

1目录00 发刊词：“卡脖子”问题怎么破局？.201 年度材料：口罩能像皮肤一样透气吗？.1102 二硫化钼：如何突破目前芯片的理论极限？.1903 超疏水材料：怎样让任何材料都滴水不沾？.2804 3D 打印钛合金：“未来金属”马上就能大规模应用了？.3705 连锁超分子：怎样让材料自动组装起来？.4506 等离激元纳米颗粒：第四物态是怎么回事？.5507 魔角石墨烯：绝缘和超导，会出现在同一种材料上？.6508 纽结半金属：如何给量子半金属系“中国结”？.7509 可见光通信 OLED：有光就能连上网吗？.8410 触觉传感器：如何模拟人类的触觉？.9411 固态锂电池：电动汽车的新战场在哪？.10212 碳酸钙载体：怎样降低抗癌靶向药物的价格？.11013 可降解塑料发电机：如何收集摩擦起电的“电”？.12014 透明木头：如果玻璃被替代，建筑会有什么改变？.13215 复合蛛丝：大脑如何直接控制机械臂？.14416 骨移植材料：怎样让断裂的骨骼自我修复？.15317 聚酰亚胺气凝胶：太空新材料，NASA 发现了什么？.16118 金属有机框架：净化空气可以只吸收二氧化硫吗？.16919 聚脲涂料：军用的防弹材料，民用能做什么？.17720 介孔分子筛固定化酶：由我推进的前沿进展.18621 总结与展望：材料科学，从表象到本质.19620000 发刊词发刊词：“卡脖子卡脖子”问题怎么破局？问题怎么破局？年度得到孙亚飞材料科学前沿报告2020-12-9|孙亚飞亲述|你好，欢迎来到材料科学前沿报告，我是孙亚飞。2020 年有个词你一定经常听到，就是“卡脖子”。美国禁止台积电给华为生产芯片，让芯片产品成了全民揪心的头条热点。其实美国对我们“卡脖子”的领域不只在芯片，我简单统计了一下，大致分布在 20 多个领域，还有比如生产芯片的光刻机、触觉传感器、激光雷达，等等。怎么破解“卡脖子”的困境，成了我们的一道必答题。破解困境的根本办法很明显，就是科技创新。但怎么才能让科技创新落地呢？材料科学给出的一个视角是，新材料。你可能不知道，在被美国“卡脖子”的那 20 多个领域里，有一大部分都被卡在了新材料上。从这个角度上说，“新材料”方面的竞争，正在影响着中国乃至全人类的历史走向。而我的这份材料科学前沿报告，为你报告的就是这些新材料的前沿进展。我们正处在一个风起云涌的时代我们正处在一个风起云涌的时代，风起云涌意味着颠簸风起云涌意味着颠簸，我我们需要们需要“新材料新材料”这个抓手稳住自己，并且我们对它的需要程这个抓手稳住自己，并且我们对它的需要程3度度，远超以往的任何一个时期远超以往的任何一个时期。这是我认为你应该了解这份报告这是我认为你应该了解这份报告的最大理由。的最大理由。不过，就算抛开国际政治局势，抛开美国对我们的影响，我也认为你应该了解了解新材料。我把理由分成了三个方面，分别是科技、经济，和生活质量。你听听看是不是这样。先来看科技领域。很多硬科技的突破点，就落在新材料上。我举个例子。2020 年 11 月 28 日，中国的载人深海潜水器“奋斗者号”，下潜深度突破了一万米。这个深度，创造了中国载人深潜的新纪录，达到世界领先水平。而这次突破，有一个很重要的原因就是新材料的突破。中国终于自己研发出了可以承受深海巨大水压的钛合金产品，才让下潜任务的成功成为可能。再比如在数控机床领域，数控机床，就是自动加工各种零件的机器，我们之前也一直做不好。其中有个瓶颈就是，找不到合适的材料当车刀。切割零件的刀硬度要够大，还不能太脆，切割得干净利落，精度才能提高。最近几年里，我们找到了包括碳化钨、氮化铝在内的很多材料，数控机床的发展也开始突飞猛进。这样的例子特别多，很多原本一筹莫展的科技领域，因为研发出了新材料就迎来了突破。新材料新材料，是硬科技发展的重要转折是硬科技发展的重要转折点，是你预测科技发展的绝佳视角。点，是你预测科技发展的绝佳视角。在经济方面，如果你是一位投资人，我猜你应该对材料领域4的投资又爱又恨。爱的是，新材料的投资价值大，国家政策支持力度也大。但恨的是，投资这个领域的门槛非常高，看不懂，就不敢投。其实大多数新材料领域的项目其实大多数新材料领域的项目，判断起来是有诀窍的判断起来是有诀窍的，就是就是找到材料从研究到应用的规律。找到材料从研究到应用的规律。比如在这份报告里，有一讲是 3D 打印的钛合金。你是不是感觉它很普通？3D 打印，不新鲜，钛合金，好像也听说过很多年了。要是你这么看，可能就错过了一个有价值的投资方向。因为在 2020 年，3D 打印钛合金第一次用在了顶级量产汽车“布加迪威龙”的刹车上。这意味着，这种材料出现在普通民用汽车上，大概率是几年内就会发生的变革，那会是一个海量的市场。再来看改善生活质量方面。比如说，有一种抗癌的药物叫“靶向药”，就是见到目标才会释放有效成分的药物。这种药的价格高昂，给很多癌症患者带来了巨大的负担。但现在，有研究团队找到了一种碳酸钙载体材料，可以大幅降低靶向药的价格。你可能身体很健康，抗癌药物离你太远了。但在 2020 年，你肯定经常戴着口罩，是不是感觉特别闷？这其实也是改进材料就能解决的问题。我们现在制造口罩用的材料是熔喷布，透气性不好。我在课5程里也讲到了口罩领域的新材料，新材料的透气性被形容成是“人类的第二层皮肤”。科技、经济、生活质量，这份报告至少能让你在这三个方面有所收获。其实，很多学校的化学专业都开了新材料的课程，但比较难讲。讲得深了，没几个人听得懂，讲得浅了，就是闲聊天，没有获得感。在这门课里，你都不用担心。我在这份报告里，精选了 20 个将带来超强影响力的材料。你既可以收获“硬知识”，比如这个材料是什么成分、什么构成，也可以收获每个前沿突破的意义，我还通过一些方法，了解到了部分研究团队的背景资料。这些我都会分享给你。我猜你对我并不陌生，我在“得到”上开设过一门化学通识课，也曾经在各大平台上写过近百万字的科普。但我还是想说说，为什么由我来做这份材料科学前沿报告。2020 年对我来说，是一个特别的年份。我现在在清华大学读博士，我的博士论文就在我准备这门的课的期间完稿了。博士论文是我自己做的一种新材料，名字有点复杂，叫“介孔分子筛固定化酶”，我也写在了课程里。这个工作成果被中央电视台看中，录制了一期创业英雄汇，现场签了一千万的天使投资。这个投资额，远远比不上那些热门的新材料。但我可以骄傲地告诉你，目前我们团队对这个材料应用的探索，在全世界范围6内是走得最远的。我曾经说化学是一门我曾经说化学是一门“知行合一知行合一”的学科的学科，没有什么学科比没有什么学科比它更加注重实践它更加注重实践。在“化学”大框架下的材料科学领域，更是这样。如果你希望在理工科钻研，我特别希望你能进入到我们这个领域来。这个领域正在爆发，但是人才培养却没跟上。反过来看，这个领域更容易让你做出突破。在最后，我想跟你定一个十年之约。我会持续收集关于材料科学的最新进展，未来 10 年，每年的这个时候，我都会来向你报告，和你一起见证这个领域的爆发。我是孙亚飞，期待你加入课程。我们课程里见。本课程将于 2020 年 12 月 15 日 0：00 正式上线，敬请期待！78用户留言曹辉 29 赞“没有金刚钻，别揽瓷器活”。这个谚语强调了工具的重要性。其实，这句话里还有另一层意思，那就是材料的重要性。高端材料不仅需要持续的研发能力，更需要政策支持及资本市场相互促进，新材料产业具有技术密集、研发资金投入量大、产品附加值高。只有占据新材料主导地位，才在激烈的国际竞争市场中9占有一席之地。材料科学每前进一小步，促使人类文明就前进一大步。高军 6122180913 赞锁定了 10 年 正好 一路同行冰雪天地 8 赞隔壁的蔡钰商业参考讲到了中国机床产业的窘境，这里就给出了新材料的解决之道：在数控机床领域，数控机床，就是自动加工各种零件的机器，我们之前也一直做不好。其中有个瓶颈就是，找不到合适的材料当车刀。切割零件的刀硬度要够大，还不能太脆，切割得干净利落，精度才能提高。最近几年里，我们找到了包括碳化钨、氮化铝在内的很多材料，数控机床的发展也开始突飞猛进。王木子 5 赞除了每天城邦的更新，孙老师在年底还能出一门课，真是不容易！努努 4 赞其实仔细想想就能明白，任何新科学技术最终都要落到实际应用层面，而新材料不只是新的合成技术，也可以是新的应用技术，中国要想实现弯道超车，不再被“卡脖子”就必须在应用层面有所突破。特别喜欢这种一约就是十年的课程，感觉就是特别靠谱，因为这一年说的对不对，明年就要兑现的孙老师加油。10Apan2 赞终于开讲材料科学了，对 3D 打印钛合金很好奇。专注动人 2 赞因为做采购，之前想着找有介绍新材料性能，用途等的公众号之类的，可以多了解一些新材料，结果没有找到；今天看到孙老师的报告，果断买了。不知老师有没有这样的渠道，可否推荐一下，谢谢。李蓓 1 赞这门课程，是在填补我的一个认知盲区，果断拿下，期待有味生活 1 赞化学通识一年内听了三遍，才勉强稳住了这些知识点，今天得知您又创作了这个新课程，好高兴，好期待金戈铁马 1 赞新材料可以说是很多硬核科技的关键领域，新材料方面的突破往往能够给我们创造很大的惊喜，甚至改变很多人的日常生活方式。非常期待孙老师的这门新课，带领我们更好的了解过去一年全球范围新材料前沿领域所取得的突破和成就，也让我们能够更加深刻的理解新材料对社会发展、文明演化多带来的重要意义。許益銘 1 赞十年之路 得到相見110101 年度材料：口罩能像皮肤一样透气年度材料：口罩能像皮肤一样透气吗？吗？年度得到孙亚飞材料科学前沿报告|孙亚飞亲述|你好，欢迎来到材料科学前沿报告，我是孙亚飞。我们报告的第一讲，我设置了一个特别环节，就是选出一种前沿材料作为 2020 年的“年度材料”。这种材料能够代表 2020年这一年，一说到它，就能让人想到这一年发生的大事，并且这种材料还要和前沿科技紧密相连。对于 2020 年来说，因为 COVID-19，也就是新型冠状病毒的肆虐，我觉得，年度前沿材料非口罩材料莫属。你肯定不会忘记，2020 年 1 月下旬，全国都进入严重的“口罩荒”。到了 3 月份，口罩已经渐渐成为全世界的短缺物资。直到石化企业增加口罩原料的供应量，社会各界转行生产口罩，产能问题才有所缓解。但与此同时，我们也渐渐发现了口罩也带来新的问题。比如用过的口罩作为一种特殊的垃圾，没有合适的办法处理。而且到了夏天，闷热的口罩佩戴起来很不舒服，又成了新的负担。口罩虽小，但是它搅动了 2020 年的世界局势，至于用来生产口罩的材料，可以说是幕后的主导。材料科学前沿报告的第一讲，我们就来说说口罩材料。口罩作为一种很简单的生活物品，即使是用于外科手术的口罩，看起来也不是什么高科技产品。12而且疫情来得突然，你可能也看到了一些新闻，说，很多汽车企业纷纷转行做起了口罩，几天之内就有了产能。这么大的行业跨度和这么快的节奏，说明口罩的生产技术并没有那么高门槛。这样的一种材料，为什么是前沿材料呢？我们现在口罩用的材料是熔喷布，如果你问我，熔喷布是不是前沿材料？那我一定说，不算。制作熔喷布的技术是 20 世纪90 年代开始流行的技术，现在已经广泛应用在医用口罩上，肯定算不上是前沿。可是，如果你要问，口罩材料算不算前沿材料？那我也可以肯定地回答：算，而且这是前沿材料领域竞争很激烈的方向。为什么呢？因为目前的口罩可改进的方向太多了，能突破任何一个方向都是前沿。我们可以仔细分析一下，一个理想的口罩材料应该具备哪些特性呢？我想到了四条，你来听听是不是这样。第一第一，最基本的最基本的，这种材料应该可以有效地阻拦病毒和细菌这种材料应该可以有效地阻拦病毒和细菌，否则没有防护效果。否则没有防护效果。第二第二，它应该可以透气透湿它应该可以透气透湿，否则会阻碍呼吸否则会阻碍呼吸，戴着不舒服戴着不舒服。第三，它应该可以很顺利地降解，否则会成为环境负担。第三，它应该可以很顺利地降解，否则会成为环境负担。第四第四，我们高标准一些我们高标准一些，它最好还有一定的智能性它最好还有一定的智能性，比如可比如可以监控佩戴者的身体情况以监控佩戴者的身体情况，或者根据环境的变化或者根据环境的变化，自动调节透气自动调节透气的程度。的程度。13当我们把这四条要求全部代入之后就会发现，目前的口罩材料熔喷布，只实现了第一条，它只能做到拦截病毒和细菌，距离理想的口罩材料还非常远。甚至可以说，熔喷布只是在人类技术熔喷布只是在人类技术没有取得重大突破之前，将就使用的一种材料。没有取得重大突破之前，将就使用的一种材料。很多科学家都在尝试突破，我可以告诉你一个好消息：2020年，我们已经找到了各方面都比熔喷布更好的材料。2020 年 6 月 26 日，来自中国科学院纳米能源与系统研究所的一支研究团队，在顶级杂志科学上发表了一篇论文，介绍了一种电子皮肤（E-skin）的研制方法。说是电子皮肤，其实就是一种可以电子操控的化学纤维。这种化学纤维不仅可以抗微生物，而且也具备透气性强、可降解、高智能这几大优势，一举解决了传统口罩材料的几大短板。他们是怎么实现的呢？我简单地做一点分析。你仔细观察口罩，它不是一块完整的布，而是由很多很多堆叠在一起的细丝构成的。就拿咱们现在用的熔喷布举个例子。熔喷布，是用聚丙烯树脂加工成的纤维。简单来说，就是把聚丙烯树脂加热熔化，有了流动性之后再用喷嘴把它喷出来。喷出来的树脂凝固后成为一条条直径只有几微米的细丝，不及头发丝的十分之一粗。这些细丝不需要经过纺织，直接堆叠在一起，就成了所谓的“熔喷无纺布”了。这些纤维的粗细特别重要。口罩之所以能够防病毒，利用的是材料纤维的吸附力。根据物理学的基本原理，纤维直径越小，14比表面积就越大，吸附力也会越强。如果纤维保持同样的孔隙，细纤维能够防护更多的微生物。而且，如果选择同样的过滤级别，比如 N95 口罩设定的 95%过滤效果，那么更细的纤维可以让更多气体通过。也就是说，口罩纤维的直径越细越好。这样一来，高防护效果和呼吸舒适性就可以兼得了。所以，这个研究团队在制作时，把他们用的材料做成了纳米级的纤维，直径比正常的熔喷布纤维还要细得多，然后再做成无纺布。这就既保证了防护效果，也保证了透气性。除了纤维的粗细，他们在选材上也下了功夫。他们选择了两种材料，名字有点长：一种是羟基丙酸-羟基乙酸共聚物，也叫 PLGA；还有一种是聚乙烯醇，也叫 PVA。为什么选的是这两种材料呢？这是考虑到两种材料的差异，PLGA 不怎么亲水，但是 PVA却极度亲水。不亲水的材料就像是荷叶，雨落到荷叶上就滑下去了；亲水的材料呢，碰到水就把水吸收掉。所以当这两种不同的材料贴合在一起的时候，两面的特性就有了差别。想想看，这两种材料被做成了纤维，纤维与纤维之间总是会有间隙，当水珠从亲水的那一面被吸收之后，渗透到了内部，等到水分子接触到不亲水的那一面时，就会透过间隙，变成水汽跑掉了。所以，这是一种水分子只能单方向流动的材料。如果用它做口罩，亲水的一面朝内，那么佩戴的人呼出的气15可以顺利地呼出去，但是外面的水却不会进来，就像我们的皮肤一样。所以才有人说，这种材料是人类的所以才有人说，这种材料是人类的“第二层皮肤第二层皮肤”。而且，和制造熔喷布的聚丙烯树脂不一样，这两种材料都是可降解的材料，对环境很友好。为了增加这种无纺布对细菌的杀灭效果，这种材料中还植入了纳米银颗粒，可以长效杀菌。银的存在也让这种材料具备了电学效应，你可以把这些含有纳米银的纤维，想象成是无纺布中的一条条电路。于是这种无纺布就成了一种“芯片”，可以对它进行编程。这也就是它为什么会被称为“电子皮肤”。其实电子皮肤可以应用在很多方面，口罩只是其中一种。它还可以应用在其他领域，比如服装领域，监测到出汗多，就调节得更透气，监测到气温低，就调节得更保暖。你看，这种材料能防病毒和细菌、透气性好、可降解，又高智能，全面超过了目前的口罩材料熔喷布。材料找到了，我们又要面对下一个问题：这种口罩材料，能尽快应用吗？任何一种前沿材料，在它走向应用的过程中，都会存在一个通病，那就是初期成本太高。这种口罩材料也是如此，短时间内应用并不现实。所以从性能来说所以从性能来说，熔喷布绝对不是最优解熔喷布绝对不是最优解，但它但它在目前来说，还是那个最实惠的方案。在目前来说，还是那个最实惠的方案。2020 年这一年，对于口罩材料来说，是不同凡响的一年。新冠疫情对人类而言是一场悲剧，它杀死了很多人，也可能让不16少康复的人留下后遗症。然而对于口罩技术而言，新冠疫情客观上有一定的促进作用，尤其是抗疫常态化以后，口罩已经成为人们生活中离不开的日用品。这会带来两个直接效果：一是普通消费者的评价比重增加，二是新技术的边际成本下降。这两个直接效果都很容易理解。你看在过去，口罩都是专业人士，比如医生和护士使用的，使用者不太在乎性能以外的问题，基本能防住病毒和细菌就行。但如果口罩的使用人群扩大到所有人，需求空前旺盛，那呼唤新型口罩的声音会特别强。强需求推动了技术进步，新型口罩的成本就会下降。可以预见的未来趋势是，口罩材料会首先解决舒适度的问口罩材料会首先解决舒适度的问题题，让它具备长期佩戴的可能性让它具备长期佩戴的可能性。不然普通人戴一两个小时就有窒息感，再好的防护性也是形同虚设。我刚刚说，像前面提到的那种口罩材料，短时间内应用不现实，或者悲观一点预测，很可能需要到下一次呼吸系统的流行病出现时它才会受到重视。我不希望看到这一天，但客观规律不会因为人的意志而改变。实际上，在 2003 年的非典期间，熔喷布还是很新潮的材料。中国当时无力生产，只能推荐“12 层棉纱布缝口罩”这种土办法，这是非常令人心酸的往事。但也正是因为有了那一年的疫情但也正是因为有了那一年的疫情，熔喷布受到关注，石化企业或引进或自研，这才有了我们熔喷布受到关注，石化企业或引进或自研，这才有了我们 2022020 017年的举重若轻。年的举重若轻。如果你是一名投资人，我建议你在接下来的几年里，要多关注口罩材料领域的变迁。划重点1 口罩材料是前沿材料领域竞争很激烈的方向。2 我们已经找到的新型口罩材料，能防病毒、透气性好、可降解，又高智能，全面超过了目前的口罩材料熔喷布。3 从性能来说，熔喷布绝对不是最优解，但它在目前来说，还是那个最实惠的方案。下一讲，我们来说一个 2020 年让很多人揪心的话题，就是芯片的“卡脖子”问题。我们下一讲见。用户留言观复 14 赞孙老师好！现在的熔喷布口罩存在的一个问题是呼气时会在眼镜片表面凝结一层水膜，导致视线模糊，在骑车、开车的时候受影响。今天课程中介绍的纳米级口罩能否解决这个问题？作者回复可以解决，因为它的水汽是直接透过口罩排出去，就和人体皮肤效果一致孙亚飞 58 赞我选择口罩材料作为年度材料。对于电子皮肤用作口罩这个话题，我其实还想调侃一句的：在口罩里安装 5G 天线，也没什么不可能。只是疫情当前，那些没良心的政客想怎么胡说随他们18去，我就不开这种伤害人民感情的玩笑了。今夜谈新 16 赞我在新加坡，常年气候湿热。从一月开始到现在，依然每天要强制带口罩出门。在热带带了一整年口罩，孙老师在文章里提到的现存口罩的弊病绝对是深恶痛绝。不够透气，不舒适，会脱妆，会过敏，会勒脸，勒耳朵，口罩无法妥善丢弃，口罩也不美。口罩材料的改进绝对是必须进行的，看到我的孩子们因为口罩戴着不舒服而老是扯开，我也表示很无奈。如果像孙老师分享的，新型材料防病毒，透气性好，可降解还高智能的口罩可以诞生，那绝对是件极好的事情啊：）黄嘉琛 Chason7 赞新型口罩材料，不得不提华人材料学家崔屹与朱棣文合开的公司 4C Air，使用静电纺丝技术制作的聚丙烯腈（PAN）纳米纤维滤膜，与 AireTech Clean Technology 公司合作，生产了一片售价 3 美元的面罩，达到了 N95 标准，而且由于纳米纤维滤膜很薄，且孔隙率高，透气性能是普通 N95 的三倍。就是不知道这个口罩的产能如何？对于不少美国人而言，3 美元一片并不贵得到王（上海）4 赞如果用它做口罩，亲水的一面朝内，那么佩戴的人呼出的气可以顺利地呼出去，但是外面的水却不会进来，就像我们的皮肤一样。所以才有人说，这种材料是人类的“第二层皮肤”。单向导湿19上善若水 4 赞每次材料的更新，迭代的是旧的生活方式；每次技术创新，对人类社会的影响是翻天覆地的；这次疫情对世界的影响也会成为根深蒂固的历史痕迹，时代的烙印倒逼着技术的进步。jackycheng3 赞与其说是新材料，倒不如说是新视角，需求带动的材料科技领域的创新供给。0202 二硫化钼二硫化钼：如何突破目前芯片的理论如何突破目前芯片的理论极限？极限？年度得到孙亚飞材料科学前沿报告|孙亚飞亲述|你好，欢迎来到材料科学前沿报告，我是孙亚飞。2020 年，关于芯片的话题绝对是国际热点，你肯定听说了很多关于它的新闻。我也看到了很多文章都在分析，为什么芯片制造难？中国的芯片技术该怎么突破？这些问题的答案，当然包括很多因素。我们材料科学前沿报告关注的，还是芯片的材料。目前，芯片所用的主流材料叫单晶硅。但是，单晶硅材料正面临一个关键节点，如果新的芯片材料还不能研发出来，人类目前依托于单晶硅研发的芯片技术会面临全面的停滞。20谁会是下一代的芯片材料呢？2020 年初，包括台积电在内的一些芯片行业翘楚，都在公开场合谈到了这个问题。这些企业经常提起的一种材料，就是二硫化钼。在阿里达摩院发布的“2020 年十大科技趋势”里，也提到了二硫化钼芯片材料。那到底是什么原因，让二硫化钼成了宠儿呢？这一讲，我们就来说说最有可能成为下一代芯片材料的，二维二硫化钼材料。先来说说这是一种什么样的材料。你可能注意到了，刚刚我在“二硫化钼”这个名字前面，又加了两个字，“二维”，它是一种二维材料。所谓二维材料，就是可以忽略材料的厚度，只考虑三维空间里的另外两维。这在材料学领域里，是非常特殊的一类材料，它们常常有一些三维材料不具备的特性。提到二维材料，很多人首先想到的都是石墨烯，它的厚度就只有一层原子，不可能再薄了。二硫化钼没有石墨烯那么薄，它有三层原子：上下两层都是硫原子，中间一层是钼原子。三层原子这个厚度也已经接近极限了，所以它也可以被看成是二维材料。这个三层结构非常重要这个三层结构非常重要，可以说是二硫化钼能从各种芯片材可以说是二硫化钼能从各种芯片材料中脱颖而出的基础。料中脱颖而出的基础。比如拿它和石墨烯对比来看，石墨烯也是未来芯片的候选材料。但单层石墨烯很难稳定存在，它们就像是一片片芝士一样，21如果叠在一起，很容易就粘起来变成一整块奶酪。二硫化钼就不一样了。每一片二硫化钼晶体和其他晶体片之间，吸引力都比较弱，所以理论上来说，二硫化钼天然就可以呈现三层原子形成的二维结构。如果用它作为加工材料，就像一片片夹心饼干一样，既不用担心饼干之间会互相粘合，也不用担心夹心会脱落。我查了最近的一些发展报告，发现和石墨烯相比，二硫化钼芯片虽然目前还远到不了商用阶段，但是它用于芯片的科学障碍，确实已经所剩不多了。二硫化钼的性能比石墨烯更好，并不是它能成为下一代芯片材料的理由。毕竟石墨烯很难稳定存在，距离可以应用实在太遥远了，二硫化钼真正要战胜的对手，是我们目前使用的芯片材料，单晶硅。和单晶硅相比，二硫化钼的优势在哪儿呢？咱们先来说最重要的一个：二硫化钼能让芯片性能继续提高。你可能听说过，芯片行业有一个“摩尔定律”：每 18 个月，芯片性能就会翻番。摩尔定律维持了近半个世纪摩尔定律维持了近半个世纪，一直非常准确一直非常准确。但是在最近十年来，这个定律实质上已经失效了。但是在最近十年来，这个定律实质上已经失效了。被什么限制了呢？就是芯片的材料。简单来说，要想让芯片的性能提高，就是要在同样的空间里摆下更多的电路。也就是说，要把半导体电路做得尽可能更细一些。眼下，这个电路的尺寸已经做到 5 纳米，正在向 3 纳米的规22格迈进。你可能不知道这么小的尺寸意味着什么。这意味着，如果不找到新的材料替换单晶硅，那继续把电路做细做小，几乎就是不可能完成的任务。这是为什么呢？电子遇到单晶硅的时候，通过程序控制，我们可以选择让电子通过或者不通过，这是单晶硅能做成芯片的基础。但当把单晶硅的尺寸做得很小的时候，会出现一个现象，叫量子隧穿。通俗来说，就是电子学会了“穿墙术”，可以不受控制地穿过单晶硅。这就没法作为芯片使用了。可以说，如今的芯片已经把单晶硅的潜力压榨干了。在电路尺寸继续向 3 纳米缩小的过程里，研发者屡屡失败，摩尔定律就是在这里失效的。所以，不管替代单晶硅的新材料是什么，它起码得能抵挡量子隧穿效应，别让电子随便穿。二硫化钼晶体就能做到这点。我们前面说了，二硫化钼晶体是一种层状结构。电子很难突破它层与层之间的间隙，只能被限制在层内运动。所以我们可以把每一层晶体的厚度，看成是最小的电路尺寸。经过计算，单层二硫化钼的厚度只有 0.65 纳米，比我们的目标尺寸 3 纳米小太多了。这就是二硫化钼最重要的优势这就是二硫化钼最重要的优势，它有潜力让芯片的性能继续它有潜力让芯片的性能继续按照摩尔定律提高。按照摩尔定律提高。23除了尺寸，单晶硅技术的另一个困难在于，芯片材料本身有苛刻的纯度要求。作为芯片，如果单晶硅中有其他原子，那么在运算的时候，就有可能成为一个 bug。所以所以，纯度问题纯度问题，是芯片是芯片材料不能妥协的问题。材料不能妥协的问题。从晶体结构来说，单晶硅是原子晶体，每一个原子都要和周围的四个原子，通过化学键连接起来。但这样的话，晶体表面的那些硅原子就不可能满足要求。如果你对晶体结构不了解，这句话你可能很难理解，我打个比方吧。围棋里面讲究“金角银边草肚皮”，要围住在棋盘中间的棋子，你需要四个棋子才能围住，要围住在棋盘边线上的棋子呢，需要三个，而在棋盘角上的棋子，只需要两个就能围住。所以，在单晶硅里，边缘的硅原子做不到和四个硅原子相连，只能留出空闲的化学键，被称为“悬挂键（dangling-bond）”。悬挂键可以和其他一些原子结合，一结合，单晶硅的纯度就会降低，芯片运算出错的概率就会增加。而芯片电路尺寸越小，露出来的硅原子就越多，悬挂键也就越多。所以即便不考虑量子隧穿效应所以即便不考虑量子隧穿效应，要想把单晶硅做成更小的要想把单晶硅做成更小的电路，化学性质也是限制因素。电路，化学性质也是限制因素。在这方面，二硫化钼也是有优势的，它没有悬挂键，不容易引入杂质。二硫化钼的化学键只在三层原子之间，边缘没有，其他原子又很难插入三层的内部。这是二硫化钼用作芯片材料的又一个优势。24二硫化钼还有一个优势是，它也许能够绕过目前的技术瓶二硫化钼还有一个优势是，它也许能够绕过目前的技术瓶颈，直接把芯片制造出来。颈，直接把芯片制造出来。按单晶硅芯片的制造方法，我们需要用到光刻机，利用激光把电路雕刻出来。所以，要想让芯片电路变得更精细，前提条件是要掌握更精密的光刻技术。现在芯片技术很难突破，也有一部分原因就是光刻机的精度很难提高。但生产二硫化钼芯片，也许我们可以不通过光刻技术，直接获得。根据 2020 年的一些报道，二硫化钼晶体大多是通过化学沉积法完成。简单说就是用一些原料，缓慢反应产生二硫化钼之后，直接铺在基底材料上。如果这套技术完全成熟，我们就可以绕过光刻技术的瓶颈。从这三个方面不难看到，二硫化钼，确实有替代单晶硅的潜力。优势这么明显，是不是二硫化钼马上就可以作为芯片材料投入应用了呢？还没有那么快。二硫化钼芯片，要进入实用阶段，必须要解决的问题就是如何生产加工。到目前为止，批量生产出二硫化钼晶体管依然不现实。我们前面说，二硫化钼是一种二维材料，而二维材料的批量化生产二硫化钼是一种二维材料，而二维材料的批量化生产，对现代技术来说还是一个全新的课题对现代技术来说还是一个全新的课题。也正是因为这一点，国际芯片巨头虽然普遍看好二硫化钼，但是都没有实际投资到相关产业。25但在我看来，这样一种性能突出的二维材料，除了能用在芯片上，还可能会在 OLED 显示器、太阳能电池以及一些军事用途上发挥作用。所以，科学界对它的研究并不会停滞，值得你继续关注。芯片是中国制造业升级必须要面对的硬骨头。在单晶硅方面，中国的落后局面，相信你早已熟悉。同样，对于下一代芯片材料的研究，中国仍然还没有摆脱被“卡脖子”的风险。以二硫化钼为例，中国的科研成果丰富，但重要的节点工作，几乎都在欧美国家发生，这也说明了芯片领域竞争的激烈与困难。我们还是需要正视自己在高端制造业方面与先进国家的差距。划重点1 二硫化钼是厚度只有三层原子的二维材料。2 二硫化钼有潜力让芯片的性能继续按照摩尔定律提高。3 二硫化钼成为芯片材料的最严重制约因素：二维材料的批量生产问题。材料学的前沿进展不只包括发现新材料，还包括发现材料的新结构。下一讲，我们就来说一种在结构设计上有新突破的前沿材料，超疏水材料。我们下一讲见。用户留言喵星人 7 赞孙博士您好，我想请教一下，为什么二硫化钼器件可以不需要光刻机呢？在芯片基底上生长的材料，多数都采用 CVD、PVD26或 Epitaxial growth,要将其刻蚀出所需的电路结构，不是仍然需要光刻技术来 patterning 吗？是否有一种方法可以使二硫化钼按照指定的 pattern 生长？作者回复现在已经有人在做定向生长了，不再通过蚀刻工艺今夜谈新 12 赞前几个月看到一篇文章新加坡材料研究所关于“基于二硫化钼/聚合物多层异质结的可变电阻存储器”的研究报告，二硫化钼作为一种新型材料，对于很多方面都可能有前瞻性历史性的影响。除了芯片行业，对于数据加密，网络安全，以及大规模的工业应用都有相当可期待的展望。无论该材料或者其他新型材料是否被卡脖子，都不能停止解决研发和科研，解决量产问题的步骤，否则这些重要的节点和先手始终掌握在欧美手中，终究是一种科研的无奈。凡五 11 赞二硫化钼化学式 MoS2 2011 年的时候，在 Science 杂志上有提到过这种二维材料。制备二维材料一直是个很困难的事情，因为它们都很“脆”，容易坏。那篇文章里提到的最新方法是（也就是九年前），把材料溶解，然后对溶液加高频声能。在声能和溶液的互相影响下，层状材料慢慢分成纳米层。最后文章提到，这终有一天会与硅基科技匹敌，带来一场革命。转眼九年已经过去，这条路还在继续。有时候，一个新科技成果的应27用出现了，作为使用者的我们很难想象有多少人奉献了多少的时间和精力。请问老师，文中提到的“沉积”，大概是什么样的制备过程呢？基底材料是什么呢？成功率大概是多少呢？小善缘 9 赞手机的纳米芯片，现在最先进的芯片是 5 纳米。查阅了资料，国内的技术正在 28 纳米往 14 纳米发展。有专家表明，现有技术的制造极限是 5 纳米。在摩尔定律定律的不断验证下，如今也进入了瓶颈期。假如量子计算机有了新的突破，这个极限是不是很有可能也会被突破。难以想象，迈过了这个门槛，我们平常使用的电子设备定将上一个更高的台阶！比如手机，第一：芯片功耗更低，从而减少其发热量，解决处理器性能提升的障碍。第二：芯片面积更小，有利于腾出宝贵的空间来容纳更大的电池，以提高设备的续航能力。第三：芯片性能更强 科幻世界是不是不再是难以触达的美梦薛佳伟 8 赞二硫化钼，石墨烯或者近几年流行的碳纳米管材料，要想替代传统硅作为芯片材料，除了材料特性本身之间的差异之外，能否实现空间上的 3D 结构，也是非常重要的一个因素，它决定了单位体积里晶体管的数量。硅通过反复的离子注入，沉积，刻蚀等工艺可以实现空间复杂结构，其它的候选材料在这方面应该还没有表现出优势哈280303 超疏水材料超疏水材料：怎样让任何材料都滴水怎样让任何材料都滴水不沾？不沾？年度得到孙亚飞材料科学前沿报告|孙亚飞亲述|你好，欢迎来到材料科学前沿报告，我是孙亚飞。在很多人的认识里，材料学就是研究“材料是什么”的学科。比如研究透明材料，我们会想到玻璃；研究导电材料，我们会想到金属，最多也就是搞清楚这金属是铁还是铜。这是对材料学的重大误解。材料是什么，只是材料学要回答的其中一个问题。材料学材料学，尤其是现代材料学尤其是现代材料学，至少还要解决的另一个大问题至少还要解决的另一个大问题，就是材料的结构对材料的影响就是材料的结构对材料的影响。在解决这个问题的时候，具体材料是什么物质，反倒不那么重要了。这一讲我们要说的，就是一种新的材料结构设计方法。2020 年 6 月 3 日，来自中国电子科技大学的邓旭团队和芬兰阿尔托大学的罗宾拉斯（Robin H.A Ras）团队，共同在顶级期刊自然杂志上发表论文，介绍了一种超疏水材料的设计方法，这种设计可以让任何材料都滴水不沾，而且非常耐用。这篇论文成了那期自然杂志的封面文章。我先来说说，为什么改变材料的结构，就能改变材料的特性呢？我举个最简单的例子。白蝴蝶和花蝴蝶的区别，并不是因为花蝴蝶的翅膀里含有什么色素，而是因为花蝴蝶翅膀上有精细的29层状结构，阳光照在这种结构上，看起来就五颜六色的。你看，材料的不同结构，可以显著地改变材料的特性。结构的不一样，在蝴蝶翅膀中影响的是颜色。在超疏水材料中，自然影响的就是材料的疏水性了。顾名思义，疏水的意思就是和水比较疏远，不亲近。也许你对“疏水性”这个特性有些陌生，但在生活中你其实早就和它有交集了。比如游泳时用的泳镜，佩戴时镜片很容易起雾，怎么能让它不起雾呢？“起雾”是因为水蒸气凝结在镜片上了。有人会买防雾喷剂喷在泳镜内侧，防雾喷剂就是疏水的，形成一层和水不亲近的膜，水蒸气一凝结就滑下去了，那镜片自然就不会起雾了。这是咱们日常的感知，在前沿科技课程里，我们当然需要简单了解一下学术上的判断标准。学术上对疏水性的评价方式主要是测量接触角。所谓接触角，就是水滴落在材料表面上之后，水滴边缘和材料平面之间的夹角。也就是说，如果接触角为零的话，意味着水滴能够在材料表面彻底摊平，这是最亲水的表现。反过来说，疏水性越强，接触角就会越大，如果达到 150 度的话，就被称为“超疏水”材料了，超级疏水。这时候水滴落在材料表面时，几乎就是一颗圆圆的水珠。这个描述还不够全面，学术上还有一个指标用来描述疏水30性，叫“滚落角”。意思是，当水滴落在材料表面上时，让这种材料倾斜，在多少度的时候，水滴就会滚落。这个动作很好理解，倾斜的度数很小，水滴就滚落了，那就说明材料的疏水性很强。要想满足超疏水材料的要求，滚落角不能大于 10 度。在疏水性结构出现之前，人们只知道疏水性和材料的材质有关。比如玻璃，其实是比较亲水的，下雨的时候，车窗玻璃都快竖起来了，但是水滴还是可以吸附在上面，滚落角甚至可以超过90 度。相比之下，不粘锅上用的特氟龙涂料是疏水的，只要把锅稍稍倾斜，水滴就会滚落。但是，疏水性结构的出现改变了这个认识。通过结构设计通过结构设计，我们可以让任何材料都具有超疏水性我们可以让任何材料都具有超疏水性，哪怕是玻璃这么亲水的材哪怕是玻璃这么亲水的材料。料。这已经让人新奇了。而邓旭团队所做的超疏水材料，在这个基础上还拓展了“耐用”的特性（在论文标题中用了“Robust”一词），这才是它入选自然杂志封面的理由，也是它真正前沿的地方。为什么“耐用”的超疏水材料设计才算“前沿”呢？要说明这一点，我们就需要了解一点科学背景。说到水滴容易滚落这种现象，可能很多人都会想到荷叶。雨过天晴，荷叶上会有一些晶莹剔透的水珠，只要稍稍碰一下荷叶，水珠就会滚落。荷叶的表面就是一种天然的超疏水材料。荷叶的超疏水特性荷叶的超疏水特性，主要不是因为它的材质特殊主要不是因为它的材质特殊，而是因为而是因为31它的结构特殊它的结构特殊。如果你在显微镜下观察，会发现荷叶表面有很多小凸起，就像一根根细小的纤毛一样。当水滴落到这种结构上时，会很难铺展开，而是尽可能收缩表面，保持水珠的模样。这种现象早在半个世纪前就已经被发现，并被命名为“荷叶效应”或者“荷花效应”（Lotus Effect），就是利用微观结构实现材料的疏水性。荷叶效应比一般的疏水材料的优势在于，它可以无视材料本身的特性去实现疏水性。前面提到的不粘锅，它的疏水性是靠特氟龙这种涂层实现的。如果是利用荷叶效应，那么不管原本的材料是什么，都可以具备疏水性。比如邓旭团队所做的工作，他们尝试了陶瓷、金属和玻璃这些材料，全都取得了成功。既然荷叶效应这么厉害，我们是不是早就用上了呢？并没有。原因很简单，就是不