材料里的乾坤

　　作为人类社会和经济发展物质基础的材料将来应该以怎样的模式发展下去?去新材料中淘金是否是我们这个时代最重要也是最时髦的生意？

　　本刊记者 王亦丁 程亚婷|文

　　最近几年流行起来的“纳米”，更早以前的“超导”，这样的词汇想必大家一定不陌 生了，它们在改变我们人类生活中的作用，有的人或许已经有所耳闻，特别是那些所谓添加了纳米材料的某某产品的广告。但是你真的了解这些被称为新材料的技术了吗？作为人类社会和经济发展物质基础的材料将来应该以怎样的模式发展下去?你是否知道新材料已经成为我们这个时代重要的商机？

　　新材料同信息技术、生物技术构成当今世界高新技术的三大支柱。正在蓬勃发展的信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展，已经对材料提出新的需求——元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。

　　新材料技术的突破将在很大程度上使材料产品实现智能化、多功能化、环保、复合化、低成本化、长寿命及按用户进行订制，这些产品会加快信息产业和生物技术的革命性进展，也能够给制造业、服务业及人们生活方式带来重要影响。

　　有识之士认识到，材料，特别是新材料研究和产业发展的水平与规模，已经成为衡量一个国家科技进步和综合实力的重要标志。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术、新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域。

　　世界上很多著名的新材料企业以前都是钢铁、

化工、有色金属等基础材料企业，他们利用积累的大规模生产能力、生产技术及充足的资金进入新材料领域。钻到新材料中淘金成为我们这个时代最重要也是最时髦的生意之一，信息材料、超导材料以及纳米材料是其中最富有挑战的领域。

　　OLED的神奇

　　1979年一个普通的夜晚，柯达公司的华裔研究员邓青云博士回家途中，突然想起遗落了东西在办公室，于是匆匆折回。不料，刚打开实验室的门，黑暗中竟有东西在闪闪发光。原来，发光体是实验所需的有机蓄电池。就在这样的偶然中，作为信息材料新技术的OLED诞生了。

　　所谓OLED(organic light-emitting diode)，即有机发光二极管，是一种新型固体有机材料，它以薄膜形式实现，厚度不超过落在纸张上的墨水厚度。它的独特性能就在于有电流通过时它会发光。光的颜色取决于有机分子的结构，不同的分子结构可以分别产生红光、绿光或蓝光，从而得到全彩显示所需的RGB像素。因此，把薄膜材料沉积在一块玻璃基板上加以封装，就可以得到一个全彩平板显示器。

　　作为以有机电致发光材料技术为基础的新一代平面显示技术，OLED具有许多梦幻般的显示特征，被业界公认为是最理想和最具发展前景的下一代显示技术。与

液晶显示相比，这种全新的显示技术具有更薄更轻、主动发光(即不需要背光源)、广视角、高清晰、响应快速、能耗低、低温和抗震性能优异、潜在的低制造成本及柔性与环保设计等显示器件制造所要求的几乎所有优异特征。

　　OLED的革命不仅在于平板显示器，作为平面光源，在不久的将来OLED还将启动照明系统的一场革命。OLED的使用，带给使用者更多控制光的颜色的自由。此外，它还有节约能源的潜力。今年年初，欧洲20多家致力于有机电子材料与照明器具的顶级公司和研究机构，联合起来共同参与“用于信息通讯技术与照明设备的高亮度有机发光二极管”项目(OLLA)。该研发项目旨在增强OLED技术，以确保2008年具有高亮度白光的OLED能得以普遍应用。

　　对于柯达公司来讲，OLED完全是天赐良机。1979年，邓青云博士很快就宣布了与有机发光二极管相关的第一项发明。柯达随即为其申请了专利并将其应用在20年后的产品中。大体而言，目前全世界的OLED分为两大阵营——柯达公司选择了染料或颜料为主的低分子材料作为OLED的发色材，而飞利浦公司以共轭高分子为主研制了PLED(Ploymer Light Emitting Diode)。

　　一些产业巨头诸如柯达、先锋、三星、飞利浦等，已经在它们的产品上使用了OLED，借以得到比现有的呈像更为饱满、光鲜和流畅的图像。柯达的一款高端数码相机LS633，采用了OLED作为反光镜。先锋则是利用OLED作为汽车立体声系统的面板。市场研究公司Isuppli的副总裁Paul Semenza一语道破OLED的身份——“使用OLED，是产品区隔化的标志”。

　　眼下道化学公司、摩托罗拉公司及施乐公司携手进行的研发项目，正是希冀将来能像印刷报纸一样，喷印出塑料电路。这项工作，可研制出分布有几百万个塑料发光点的电视墙纸，使墙纸成为电视机，或者使这种墙纸随季节变换颜色。德克萨斯大学电气工程师德塔巴拉普说：“未来5年内，可能研制出与墙面大小相同的电视显示器。”

　　2000年开始，全球掀起OLED研究和开发热潮。目前全球有超过160多家企业涉足OLED相关研发，其中囊括了几乎所有的电子和显示产业的巨头。从2000年到现在，按照出货量的年平均增长速度超过了175%。2004年，全球OLED的销售收入高达4.46亿美元，比上年增长69.6%。研究机构Display Search预测，到2008年世界OLED产业将增长到50亿美元的市场规模。

　　新兴市场的产业格局，也在发生变化。2004年以来，韩国和台湾OLED一线和二线企业迅速成长，已经双双挤掉了日本的龙头地位。不容乐观的是，欧美企业依靠持有大部分OLED核心专利技术的优势，继续加强研发，特别是在高分子和柔性OLED技术方面的研发，并以授权的方式攫取OLED产业的高端利润。

　　不过，OLED现阶段的应用还处于产业初期，它的运用主要还是集中在很多小尺寸的产品上，比如手机、手持游戏机，甚至剃刀。OLED与传统的LCD技术相比有它固有的优点，包括视角更宽、响应时间更快、更坚固且重量更轻。然而，有机物质对湿气和氧气的敏感性限制了其广泛应用，如果保护不当，将会很快损坏OLED显示器。

　　寿命还不足以与LCD对抗，这确实是OLED的致命伤。倘要解决这个问题，只要做到基板灵活、耐用，以及能够把薄膜材料完美地密封起来，使用寿命的延长还是颇为乐观的。至于OLED尺寸的突破，日前也已传出佳音。2005年11月，剑桥显示技术(Cambridge Display Technology)宣布成功开发了14英寸的OLED显示屏。同时，该机构还宣称，未来更大尺寸的OLED显示屏也将很容易的被开发出来。

　　2005年11月6日，中国内地第一条OLED大规模生产线奠基仪式在江苏省昆山市高科技工业园区举行。由于这是中国“十五”863高技术成果转化项目，奠基仪式场面相当隆重。有分析人士认为，在技术和工艺仍然不够成熟和标准化的OLED产业化初级阶段，研发能力、资金实力、产品的市场定位和市场开拓等对涉足企业构成严峻挑战。OLED产业这种大的市场环境也限制和影响了感兴趣的国内企业在OLED领域的深耕。总体来说，在OLED产业化和研发方面，中国同世界的差距正在拉大。

　　在遗忘的边缘

　　还记得1980年代的超导材料热吗？那时它真是红得发紫，但是因为对其研究的进展缓慢，现在人们似乎已把它忘记。最近，由于美国在航天飞机上无重力实验条件下取得的研究成果，这一切又发生了变化。美国国际航空航天中心有一家专门研究超导材料的机构研制的第二代“高温超导”材料电缆，造价与普通电缆相仿，但能通过的电流却是后者的100倍。

　　1911年，荷兰莱顿大学教授首次发现将汞冷却到-

　　268.98℃时，汞的电阻突然消失，这种处于超导状态的导体被称为超导体，超导体电阻突然变为零的温度叫超导临界温度。从此超导电性为人类所知，超导研究的热潮开始兴起。此后75年间，超导研究集中在单金属元素和多元合金中，通常称这些金属或金属合金的超导体为常规超导体。

　　由于以上的超导现象只能在液氦温区出现，而氦是一种稀有气体，因而大大地限制了超导的应用，超导转变温度只被提高到23K(约-250℃)左右。1960年代开始，人们一直在探索把超导临界温度提高到液氮温区(77K)以上的办法，这就是高温超导研究。

　　1986年10月，瑞士科学家缪勒和德国科学家柏诺兹在研究氧化物导电陶瓷材料LaBaCuO时发现在30K以上有超导迹象。世界上立即展开了另一波高温超导体研究热潮，科学家们制备出多系列近百种超导体。中国科学家和美国科学家同时独立发现了液氮温度(77.3K)以上工作的铱钡铜氧超导体。氧化物超导体的转变温度已经高达130K以上，在某些方面的应用也开始崭露头角。

　　在理论上，超导材料对电流的阻抗趋于零，用“高温超导”材料制作的环行电缆中的电流可以永不停息地“盘旋”下去，而无需任何能量来源；而像铜电缆这样的普通导体，其内部阻抗将使传输中的一部分电能转化为热能，使用超导电缆代替这些铜电缆将大大增加电能传输效率。

　　刚具雏形的磁悬浮列车热切盼望能使用更便宜、质量更高的超导线圈：为卫星定位定向的旋转罗盘如能使用超导磁铁制作光滑的轴承，会显著改进卫星的精密程度；如果宇宙飞船中的电动马达线圈能使用超导材料，其体积可以减小到原来的六分之一，从而可节省宝贵的空间并大大减轻重量；如果人类要去火星探险，旅行期间，一台使用超导电磁铁的桌面超导电磁扫描仪将能产生人体组织的详细图像，从而可为保证宇航员的健康提供有效的医疗诊断。

　　但是，由于当时能够找到的超导体通常是陶瓷材料，陶瓷又硬又易碎，要找到一种工业方法将它们制作成既长又有韧性的电缆非常困难。实际上，最初的尝试便令人大失所望：所谓的第一代“高温超导”材料电缆的价格相对昂贵，约为普通铜电缆的5倍-10倍；更令人沮丧的是，它能通过的电流只是普通铜电缆的2倍或3倍，远远低于当初预期的100倍，超导研究由此痛苦地进入了低潮。

　　超导材料基础研究沉静多年之后，2001年获得了里程碑式的重要成果：发现了新型高温超导材料——二硼化镁；开发出世界上第一个塑料超导材料；发现碳60分子和一维碳纳米管具有超导性。这些重大研究成果极大地鼓舞了科技界和产业界，人们相信室温超导将一定会实现，超导大规模应用的时代就会到来。工业界有识之士预计，到 2020年，与超导技术有关产业的产值即可达到2000亿美元。石油和化 工行业的企业家们无疑可以把眼光投向超导材料这个未来的高技术市场。

　　令人幸福的是，中国目前超导领域无论是基础研究还是应用研究，都与世界先进水平相近并在某些分支领域水平相当。中国科学院物理研究所超导国家重点实验室主任闻海虎研究员说：“目前超导处于大规模应用的前夜。未来10年是超导产业开始角逐和竞争的关键时期，国家应该持续投入，切不可半途而废，错失良机。”

　　小世界的苦恼

　　更多的科学家开始在全球各地编织纳米的梦想，而纳米技术的日新月异正在重塑全球商业新格局。在德国慕尼黑的一座实验室中，一群工程师正在一套装置前忙碌，装置有可能大幅削减日用化学品的生产成本，如全球使用2000万吨价值约140亿美元的包装材料聚苯乙烯，而若采用这种与纳米技术有关的新型催化装置，成本将降低一半。

　　纳米(namometer)，一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一，相当于万分之一头发丝粗细。当物质到纳米尺度以后，大约是在1-100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，在1980年代中期被开始称为纳米材料。

　　科学家们发现了纳米的巨大价值，其未来应用将主要集中在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等四大领域。在生物技术领域，科学家希望纳米能够触发遥控设备以用于加热和杀死单一的癌细胞个体。在芯片领域，科学家们希望将纳米级的半导体材料做成晶体管，从而让一块芯片上容纳更多的晶体管，但受制于温度，芯片制造的光刻技术已经接近于极限。而在光学领域，科学家们试图改变某些半导体材料的分子结构，用于生产特定的光学器材。

　　正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。

　　各国政府也开始抢占纳米技术的“制高点”--各国对纳米的研究资助已经在不到五年的时间中翻了七倍。美国政府自从2001年开始加大“国家纳米计划”的力度，并且制定了宏伟的目标：到2010年培养80万纳米科技人员，确保美国在21世纪占据纳米领域的霸主地位。日本通产省则从2001年实行了为期7年的“纳米材料工程计划”，每年投资50亿日元，同时设立纳米研究中心，成立了有268家大型企业参加的纳米技术商务推进协会。

　　对于中国这样一个大国，大力发展新材料研究是必须迎接的挑战。2003年3月，投资2.5亿元的中国国家纳米科学中心成立。近年来，中国纳米技术专利申请数已排世界第3位，仅次于美国和日本。但我国纳米技术专利的申请领域，主要集中于纳米材料方面，在纳米电子学及纳米医药学相对方面较少。在纳米材料领域，我国专利质量和国外相比也有一定差距，尤其是纳米技术在电子信息与生物这些技术含量高的领域的应用严重不足。

　　根据华盛顿伍德威尔逊国际学者中心的一位科学家所说，目前已经有130种基于纳米技术的产品投入到美国市场，而到2012年，这项技术的经济规模将达到1万亿美元。为此，纳米领域的风险投资已经从1997年的几乎为零升至2003年的3亿美元，占美国所有风险投资的5%以上，而美林公司也于2004年4月推出了纳米技术指数，用于跟踪这个新产业的股票表现。

　　然而，由于对未来的商业前景不确定，纳米的商业前景正在经历尴尬。纳米严格的科技工艺增加了商业化的时间和成本。如同生物技术公司，纳米也需要巨额投资才能演变出商业产品。另外，如何在纳米量级和宏观量级之间建立有效的桥梁成为重大问题。将纳米量级的设备同尺寸较大的导线连接时，技术上难以实现，在这种情况下，设备将毫无用处。麻省理工学院材料科学和工程学教授弗朗本斯科?史泰拉斯说：“目前关于制造纳米量级小型设备的很多假设都不太合理。”

　　如同转基因食品，纳米面对的更大的挑战在于纳米研究所涉及的环境、健康和社会问题。对纳米的担心在于，从表面涂层或者其它产品上释放出来的纳米粒子可能造成一种新的化学污染，不仅如此，当纳米体积发生变化时，其属性也会发生变化，而如何决定或者测定纳米粒子毒性的方法仍然不成熟。有几十篇报告甚至指出，纳米粒子对从细菌到哺乳动物的所有生物都会造成伤害。

　　但是无论如何，纳米研究目前还有许多基础研究在进行中，在纳米尺度上还有大量原理性问题尚待研究。中国科学院院士白春礼院士认为，人类进入纳米科技时代的重要标志是纳米器件的研制水平和应用程度，纳米科技现在的发展水平大概相当于计算机技术在1950年代的发展水平，人类最终进入纳米时代还需要30到50年的时间。“真正意义的纳米时代还没有到来。” 他说。(81213)

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