材料科學(xué)的十大進(jìn)展

材料科學(xué)的十進(jìn)展確立了我們今天所認(rèn)知的材料動(dòng)力學(xué)的竟哪些定義的發(fā)現(xiàn)靈感的瞬間和理解的轉(zhuǎn)換？下面這些是我們認(rèn)為意義最為重大的。每年年末和下一年年初的這段時(shí)間真的是很奇妙們錄逝去的時(shí)光憶已發(fā)生的事展未來。每當(dāng)新年到來際，無論你喜歡的是安靜的思考還是熱鬧的慶典，獎(jiǎng)勵(lì)或是決心在所有報(bào)紙和雜志上有一件事是確定的——最重要的是列一個(gè)清單是們不贊同的呢？我們理出了過去50間材料科學(xué)十大進(jìn)展的一張清單。我們認(rèn)真考慮了很久，征詢了我們的社論顧問小組的建議請(qǐng)這個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)先學(xué)者加入他們的貢獻(xiàn)希我們的結(jié)果是有趣且引人深思的做后定的時(shí)候們嘗試著聚焦到那些改變了我們的生活或是正在改變我們生活的進(jìn)展上當(dāng)這很具爭(zhēng)議的那進(jìn)展必須改變我們的整個(gè)生活方式嗎？還是說它只需基本改變研究領(lǐng)域呢？那些可以被準(zhǔn)確的定位到某一天某一個(gè)研究者的發(fā)現(xiàn)那經(jīng)過無數(shù)學(xué)者的努力逐步完成的進(jìn)展又如何呢？材料科學(xué)在哪里停滯？電子學(xué)物學(xué)化學(xué)從哪里開始？你要怎么估算塑料袋那樣的事物的價(jià)值？不可否認(rèn)們?yōu)橘徫锾峁┝吮憷?，但同時(shí)它們現(xiàn)在也因?yàn)槟茉春屠速M(fèi)問題遭到鄙視。并沒有就這樣排除掉它們們力總結(jié)出一個(gè)平衡了各方面考慮的選擇樣的我們希望能夠引發(fā)一場(chǎng)關(guān)于對(duì)我們今天的材料科學(xué)影響最大的發(fā)現(xiàn)的辯論們了解到我們欠缺了哪些方面果對(duì)有機(jī)子學(xué)或高溫超導(dǎo)體被列于前十之中表示懷疑告我們你的理由。是否纖維，易可貼，浮法玻璃或1競(jìng)應(yīng)該被列入其中？能夠定義下一個(gè)50年材料科學(xué)的又是些什么呢？如果你認(rèn)為材料科學(xué)家們是一群幕后英雄，我們的工作不會(huì)引人注目也從不被人稱頌。我們列出的清單是相互有直接聯(lián)系的。它指出了材料科學(xué)是如何影響了我們今天這個(gè)世界的。1國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)圖好吧，這并不算是一個(gè)研究結(jié)果，而是一種優(yōu)先選擇研究方向和制定研發(fā)計(jì)劃的方式，但國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（）仍舊是材料科學(xué)領(lǐng)域取得的一個(gè)值得紀(jì)念的成就（請(qǐng)參看：的史設(shè)了新和技術(shù)需求的目標(biāo)，迫使微電子行業(yè)展開激烈競(jìng)爭(zhēng)。ITRS是學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，無論它是材料，特性，結(jié)構(gòu)還是元件設(shè)計(jì)方面，很難找到還有什么比ITRS更能推動(dòng)材料科學(xué)發(fā)展。它是我們?cè)诹羞@份清單時(shí)的第一選擇。過去年，電子學(xué)對(duì)我們這個(gè)社會(huì)有著決定性的意義，半導(dǎo)體研究和材料科學(xué)的進(jìn)展都離不開它材的研發(fā)品的加工制造還是設(shè)備的設(shè)計(jì)都成為它的受益者之所以成今材料第一寵兒的原因在于子學(xué)在當(dāng)今世界扮演著至關(guān)重要的角色，過去年來，材料科學(xué)所取得的進(jìn)展的最大體現(xiàn)就是半導(dǎo)體加工技術(shù)的不斷升級(jí)。希望國(guó)際氣候變化專門委員會(huì)能夠享受在推動(dòng)創(chuàng)新方面的成功，達(dá)成既定目標(biāo)吧。歷

ITRS在五年內(nèi)為集成電路的發(fā)展供了技術(shù)指導(dǎo)年都在更新ITRS從系列小作坊發(fā)展到現(xiàn)在，為了確保需求，從實(shí)際80年代后期開始，接受著工領(lǐng)袖們的評(píng)估。第一個(gè)全國(guó)性的技術(shù)藍(lán)圖于1992年始行1993年一個(gè)半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖由半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)贊助，半導(dǎo)體研究股份公司支持并由編產(chǎn)生的。年這份藍(lán)圖由一個(gè)個(gè)技術(shù)人員組成的小組更新并重命名為國(guó)家半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（1997年，NTRS開對(duì)每一個(gè)藍(lán)圖強(qiáng)調(diào)挑戰(zhàn)，術(shù)需求和潛在解決方案。年，第次接受了一個(gè)國(guó)際組織的審查，該組織涵蓋了來自歐洲，本，韓國(guó)和臺(tái)灣的技術(shù)人員。第一個(gè)誕于年，這就是第一個(gè)國(guó)際工業(yè)藍(lán)圖。ITRS是立于一個(gè)龐大的組織共識(shí)的2005和2006年已經(jīng)有超過位與者，他們來自工廠、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及大學(xué)學(xué)院。由于制造半導(dǎo)體變得更富挑戰(zhàn)性了，小組開始擴(kuò)大對(duì)半導(dǎo)體金屬氧化物系統(tǒng)的研究，尋求將其工業(yè)化的潛在指導(dǎo)。預(yù)料版將會(huì)有18章過1000頁內(nèi)容。2掃描式針顯微鏡掃描隧道顯微鏡是由IBM黎世研究實(shí)驗(yàn)室的海因里-羅雷爾和格爾德-寧發(fā)明的，由于這項(xiàng)發(fā)明，二人曾在1986年得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。掃描式探針顯微鏡不僅是一種新型顯微鏡技術(shù)——這本身就是值得紀(jì)念的——它的解析度精確到納米之后不久，掃描式原子力顯微鏡（）便橫空出世，它的出現(xiàn)為人們走進(jìn)納米世界打開了另一門（請(qǐng)參考box：納米世界的意義于當(dāng)前納技術(shù)的不斷普及，它也是功不可沒。3巨磁電阻效應(yīng)年法國(guó)科學(xué)家艾伯-費(fèi)爾和德國(guó)科學(xué)家彼得-格林貝格爾因在年發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，因此，將它列入十大進(jìn)展排行榜一點(diǎn)也不令人驚訝。納米世界意義1981年在IBM的黎世研究實(shí)驗(yàn)室誕生的第一臺(tái)STM次觀測(cè)到了真實(shí)空間中的電子。1986年，IBMAlmaden研中心和斯坦福大學(xué)的努力下，原子力顯微鏡得到了發(fā)展，這使得納米世界的探索拓展到了絕緣材料和生物材料項(xiàng)發(fā)明已經(jīng)打開了進(jìn)入納米世界的大門并終形成了納米技術(shù)觀察個(gè)別的納米實(shí)體如單個(gè)分子們?nèi)绾螌?duì)外部刺激做出反應(yīng)如在表面移動(dòng)以如認(rèn)識(shí)和相互溝通不再是科幻小說中的場(chǎng)景。此外，這些納米工具使得科學(xué)家能操控單個(gè)的納米實(shí)體能深入地對(duì)它們的物理和化學(xué)性質(zhì)做出定量的了解此們已經(jīng)在優(yōu)化納器件的性能上變得十分重要些具最終必將影響龐大的學(xué)科范圍包括材料科學(xué)，光電子藥催化劑它們將為能源和環(huán)境等關(guān)鍵問題提供新的解決方案最后掃探針顯技術(shù)是擴(kuò)展了我們五官我們的視覺可藉由表面觸摸來實(shí)現(xiàn)聽聲的反饋使得我們能對(duì)表面的力學(xué)性能做出詳細(xì)的調(diào)查樣的提示如果出現(xiàn)在明確的官能團(tuán)那就可以過識(shí)別分子來識(shí)別官能團(tuán)此我們終于可以在嗅覺和味覺上感受激動(dòng)人心的香水和納米世界。

4半導(dǎo)體激光器和光二極管半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管于年世出現(xiàn)是材料科學(xué)史上的一個(gè)重要事件。如果沒有這個(gè)家伙，遠(yuǎn)距離通訊CD和播器、激光打印機(jī)條形碼閱讀器以及固態(tài)照明裝置只能是一個(gè)夢(mèng)想得不提的是態(tài)照明裝置的出現(xiàn)能夠?yàn)榻档湍芎淖鞒鲋匾暙I(xiàn)。III-V激和45后世界上絕大部分的人到現(xiàn)在為止已經(jīng)看到過LED但很少人意識(shí)到這不是一個(gè)傳統(tǒng)光源，而是和電子源相關(guān)的晶體管。作為JohnBardeen（晶體管的發(fā)明者之一）的學(xué)生和后來40年的同事，我聽他解釋說很多次都沒有被發(fā)現(xiàn)直到知道晶體管電流可以形成非平衡的電子空穴后子空穴以復(fù)合達(dá)到平衡并發(fā)出光我們研究晶體管重組的原因時(shí)，我們正在向激光和LED前進(jìn)特別是但我們轉(zhuǎn)移到III-族化物1960年到1962年，我在研究砷化鎵做隧道二極管，但我并不滿1.4eV的紅外線）帶隙。我學(xué)會(huì)了如何把GaAs轉(zhuǎn)到GaP,到GaAs1和紅光的波長(zhǎng)1962年，我們意識(shí)到一小部分的GaAsP-N結(jié)可作為激光的基礎(chǔ)。但想讓GaAs1xPx不僅工作在紅外區(qū)，而且是工作在可見光區(qū)我分了解激光所以我道我需要有人幫我把紅色P-N結(jié)成激光我在通用電氣的同事Bob，先我一步。他用法布里一珀羅腔的邊緣和晶體本身的腔來做砷化鎵二極管這在是太聰明了！他寧費(fèi)盡心思地制造二極管空腔，而我更喜歡把它劈開這并不容易。然后，一個(gè)早秋的日子的老板打電話告訴我Hall運(yùn)行了激光，讓我放棄切割！一次我設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來美化我的二極管法布里一珀羅腔，并得到了紅色的III-V族金激光和發(fā)光二極管。由于Hall的砷化鎵紅外激光發(fā)射器和不連貫發(fā)射體以及我的可見的紅色GaAs1-xPx光器和發(fā)光二極管，通用電氣公司在1962年宣布這些設(shè)備出售的可能性紅LED從開始就是可行的且隨著時(shí)間推移變得更好更便宜現(xiàn)在，經(jīng)過很多人45年的作，高亮度，高性能LED已經(jīng)成為主要的光源。它的規(guī)模和品種是令人驚訝并且難以置信的既我們現(xiàn)在所說'極燈'這項(xiàng)工作不會(huì)停止只會(huì)不斷發(fā)展，并必然變得更便宜。這將可能使在世界各地的照明和裝飾中普遍被使用！5美國(guó)國(guó)家納米技計(jì)劃比爾·克林頓有被我們列為本清單上材料科學(xué)重大發(fā)展第五位的權(quán)利。是他在2000年公布了美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃NNI是國(guó)聯(lián)邦和多機(jī)構(gòu)合作在納米方面的研究計(jì)劃。這一計(jì)劃產(chǎn)生了巨大影響鞏了納米技術(shù)這一新興領(lǐng)域的重要性時(shí)也讓這一技術(shù)成為物理學(xué)最令人興奮的一個(gè)所在。國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃為發(fā)展納米技術(shù)提供了巨額資金，同時(shí)也為跨學(xué)科研究資金籌集方式打開了一扇門。納米技術(shù)的同時(shí)獲得了一個(gè)身份，種視界份高水平的資金。它還建立了一個(gè)這樣的跨學(xué)科科學(xué)的撥款方式。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的C.是參與了最初的NNI劃和國(guó)際組織活動(dòng)的人員之一1997年至年，我曾與包括Williams，Alivisatos，JamesMurday，Siegel和EvelynHu在的人一起工作說們想了一個(gè)納米級(jí)動(dòng)力控制系統(tǒng)控制新業(yè)革命個(gè)標(biāo)們2000年立了一個(gè)涉及學(xué)術(shù)界，產(chǎn)業(yè)界以及NNI的批機(jī)構(gòu)為核的全國(guó)聯(lián)盟

國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃由26個(gè)立構(gòu)參與，的研究預(yù)算估計(jì)在15美左右。它是世界上納米技術(shù)研究領(lǐng)域最大的“單投資者”去來共投入了70多美元目前已有65個(gè)家制定了類似的米技術(shù)研究計(jì)劃，業(yè)內(nèi)納米技術(shù)的研發(fā)也已走在政府的前面。2007年全球納米技術(shù)相關(guān)的研發(fā)經(jīng)費(fèi)已超過億美元。年3月11日代跨機(jī)構(gòu)向科學(xué)和技術(shù)政策辦公室提交了國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃。許多人擔(dān)心的是納米計(jì)劃成為國(guó)家優(yōu)先計(jì)劃的可能性不大被理所當(dāng)然的認(rèn)為是我們一小群研究人員的興趣嗎？相反米技術(shù)被認(rèn)為是科技進(jìn)步育藥及經(jīng)濟(jì)的大平臺(tái)。納米技術(shù)計(jì)劃在2001年的預(yù)算中被批準(zhǔn)了億美元米技術(shù)計(jì)劃作為一個(gè)科學(xué)項(xiàng)目受到同樣嚴(yán)格的準(zhǔn)備說6碳纖維強(qiáng)化塑料過去的年證了先進(jìn)復(fù)合材料的高速發(fā)展，毫不夸張地說，這些質(zhì)輕而堅(jiān)韌的材料已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到航空和航天之中代復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用到幾乎所有的行業(yè)之中括輸，包裝，土木工程和運(yùn)動(dòng)等。它們出現(xiàn)在F1賽、裝甲和風(fēng)力渦轉(zhuǎn)子葉片之中。碳纖維強(qiáng)化塑料或者更確切地連續(xù)碳纖維有機(jī)基復(fù)合材料無疑扮演著領(lǐng)導(dǎo)者的角色這些由高強(qiáng)度、高硬度碳維形成的聚合無基體但有較高的堅(jiān)固性而重量較輕。世60年初見證從碳纖維生產(chǎn)的聚丙烯腈、人造纖維和瀝青基前體的發(fā)展。那些長(zhǎng)定向芳香族化合物分子鏈賦予了碳纖維更高的強(qiáng)度和硬度真正的從以前使用的無定型復(fù)合材料玻璃纖維的中獲得的成果?；谔祭w維技術(shù)不斷發(fā)展以及在設(shè)計(jì)制和建模等方面取得的進(jìn)步成材料得以擁有可控制的特性機(jī)基復(fù)材料及其相關(guān)制造方法已經(jīng)能讓工程師們根據(jù)專項(xiàng)應(yīng)用來進(jìn)行設(shè)計(jì)了不是組合一套固的材料特性國(guó)軍研究實(shí)驗(yàn)室的RichardA.Vaia說造學(xué)開辟了一個(gè)新領(lǐng)域效地把組件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到了材料設(shè)計(jì)上造較高并在設(shè)計(jì)制和回收面遇到不小的麻煩，但由于擁有這種特性，碳纖維強(qiáng)化塑料還是得到了越來越多的使用，新波音年客機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身便采用了這種材料。7鋰離子電池材料很難想像如果沒有鋰離子電池筆記本電腦和手機(jī)將變成什么樣子利用水電解液的充電電池絕不能與擁有更高能量密度的鋰電池相提并論。鋰電池是在可以滿足多方面要求的新型電極材料的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的提高使用的靈活性，它的陰極采用了中空結(jié)構(gòu)以減少重量。鋰電池材料的研究離不開化學(xué)和電氣化學(xué)以及上世紀(jì)年牛津大學(xué)的和同事的不懈努力。最終他們研制出了負(fù)極料LiCoO2年索尼公司又研制出碳正極材料兩材組合在一起們便得到讓便攜式設(shè)備成為可能的鋰離子電池眼，鋰離子電池負(fù)極材的研發(fā)工作仍在繼續(xù)了護(hù)環(huán)境并提高能量密度，研究人員放棄了有毒的，采用類似的維結(jié)構(gòu)。

納管旅年在》發(fā)表了對(duì)多壁碳納米管的觀測(cè)1993年兩個(gè)獨(dú)立團(tuán)體，Iijima和及等同一期Nature上發(fā)表了有關(guān)碳納米管的自然生長(zhǎng)論文些文在科學(xué)界的影是巨大的許是它們也許是導(dǎo)致了納米科學(xué)和納米技術(shù)的誕生。然而，多壁碳納米管的第一次直接觀測(cè)應(yīng)該是年Radushkevich和Lukyanovich進(jìn)行的，單一碳納米管，也可能是雙壁碳納米管的形象則是年Oberlin等發(fā)布的。除開圍繞著這些發(fā)現(xiàn)的爭(zhēng)議不說大的機(jī)械力結(jié)合具有熱學(xué)性質(zhì)且低密度的碳納米管給材料科學(xué)帶來了革新們被運(yùn)用在綜合兆赫頻段工作的納機(jī)電系統(tǒng)密敏感機(jī)械傳感器高度掃描探針顯微的針尖，納米藥物運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)上。此外碳米管作為纖維增強(qiáng)材料可能導(dǎo)致新型復(fù)合材料的創(chuàng)新使碳納米管的小型化趨勢(shì)嚴(yán)重力學(xué)中這一趨勢(shì)正好相反為人類的規(guī)模是在米的量級(jí)上納米管強(qiáng)韌的主要原因是它們的體積很小，幾乎沒有缺陷——這是它們最好的特性此控制和減少缺陷同擴(kuò)大碳納米管的結(jié)構(gòu)將是一個(gè)真正的突破。舉個(gè)例子來說具碳納米的強(qiáng)度和密度的宏觀電纜將使得許多奇妙的建筑構(gòu)想成真比如太空電梯這端固定在地面上的電纜可以攜帶有效載荷進(jìn)入太空外，如果碳納米管材料能夠被用來大規(guī)模生產(chǎn)壁虎和蜘蛛腳毛的仿生材料檐壁的蜘蛛俠將成為現(xiàn)實(shí)。頂部的大量空間也可得以利用。8碳納米管進(jìn)館1991碳納米管的發(fā)現(xiàn)要?dú)w功于日本電氣公司的SumioIijima在此之前學(xué)家便對(duì)它進(jìn)行過觀察。無論如何，緊跟著對(duì)1年現(xiàn)的C60巴基球——一種新型結(jié)構(gòu)碳——的興奮勁兒之后，對(duì)新富勒烯管的觀察引發(fā)了科學(xué)家濃厚的趣。今天由于擁有獨(dú)一無二的特性些納米尺度的碳結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為材料科學(xué)界最熱門的話題以碳納米管排在第位是因?yàn)槲覀內(nèi)孕柽M(jìn)行大量努力才能實(shí)現(xiàn)它的合成大規(guī)模生產(chǎn)并最終組裝成相關(guān)設(shè)備此之外們尚不能制造擁有相同特性的碳納米管的統(tǒng)一樣品。9軟刻蝕可組裝的功能結(jié)構(gòu)及不同材料的工作裝置是微電子裝置存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和其他許多產(chǎn)品的生產(chǎn)的中心點(diǎn)這個(gè)過程幾乎度專業(yè)化分復(fù)雜使用了非常昂貴的光刻設(shè)備且室內(nèi)環(huán)境要求保持絕對(duì)清潔。無論它有多么珍貴，這種發(fā)明能否被什么替代呢？軟刻蝕技術(shù)利用了一個(gè)重復(fù)使用的印章印制圖案術(shù)可以應(yīng)用到很多不同的基片上面，無論是扁平的、彎曲的還是柔軟的。更為重要的是，這種技術(shù)成本便宜，分辨率可精確到納米，而且能夠被運(yùn)用到生物工藝學(xué)等新興領(lǐng)域。最初的微接觸印刷技術(shù)是年哈佛大學(xué)喬懷特賽德斯的實(shí)驗(yàn)室問世的接觸打印給許多方面帶來了改革大Fraser大學(xué)的Byron說以用一個(gè)彈性體圖章將分子轉(zhuǎn)移到基板上過這種方法，分子可以以規(guī)范的模型被印制在大面積圖像上，組成部分大小只有。外，微接觸印刷技術(shù)也可直接印制固態(tài)材料，進(jìn)而

將觸角延伸到納米加工領(lǐng)域。自以來，微接觸印刷已經(jīng)發(fā)展成一整套的印刷、制模和壓花手段，被形象地稱之“軟刻蝕所這些手段都要使用一個(gè)彈性印章，以重復(fù)印制母板的圖案?！斑@些技術(shù)都有一個(gè)共同點(diǎn)是對(duì)有機(jī)材料和聚合物的使用——按物理學(xué)家的話來說，是‘軟材料斯華頓大學(xué)的YounanXia說刻蝕為應(yīng)用生物程在微觀結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)上的研究提供了一條十分有吸引力的道路大多數(shù)超出了傳統(tǒng)意義上的光刻范圍10超料新千年之初一個(gè)令人興奮的消息是有負(fù)折射率的材料實(shí)際上是存在的光至微波在進(jìn)入這種材料的時(shí)候發(fā)生的折射，依照定來看，路線是“錯(cuò)誤的就我們所說的“超材