由MRS會議談國際新材料發展方向

朱宏康，賈豫冬，王 方

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

1 前 言

每年的MRS會議，時間、地點不變，會議主辦方認為5 000～6 000人的會議如果每年更換場地會產生很多問題和風險；繼承傳統模式，使得會議既保留了自己的特色，也使會議承辦方和參會者能夠輕松自如地應對。波士頓這座文化古城將展會、賓館與商業區緊密聯結在一起，足以滿足如此眾多的分會安排及參會代表的飲食、住宿需求，確保每次秋季會議的圓滿召開。

2014年度MRS秋季會議12月初在波士頓市海因斯會議中心和喜來登酒店如期舉行。會議延續了往屆秋季會議甚至春季會議的特色，由A～Z和AA～ZZ 共51個分會組成，涵蓋了4大主題：能源材料、納米材料、光電材料和生物材料；除此之外，還包括每年必設的材料基礎研究方向的材料制備和表征等主題。

2 MRS會議主題

MRS 主席 Tia Benson Tolle

近兩年來，MRS會議所設定的4大主題內容主要包括：生物材料和軟物質主題軟材料的仿真驅動設計，指向和點擊合成——材料學中點擊化學的實現，生物和仿生材料的力學改性，仿生結構材料工程和應用，凝膠和自組裝聚合物系統的基礎知識，生物材料與有機電子的整合，組織工程中的先進復合材料及結構，癌癥研究和治療中的多尺度材料，神經修復材料，生物醫學器件材料的微型和納米級加工，再生工程生物功能材料，多功能神經義肢界面材料等。電子和光子材料主題增強光電性能的光子和等離子材料，光電設備的大面積加工和仿造，功能發光和光敏有機軟材料，電子和光子無機混合料的溶液加工，有機微激光——從基本要素到設備應用，氧化物半導體，金剛石半導體——由基礎研究到實際應用，復合半導體材料及器件，磁性納米結構與電子自旋功能材料中的晶格現象，使能材料——從科學到創新，連接器、新存儲和先進的顯示技術用新材料和工藝，碳化硅——材料、工藝和器件，無機半導體納米粒子的研究進展及其應用，微摻雜半導體光電子學，記憶、可重構電子和認知應用的相變材料，新興的納米光子學材料與器件，非線性光學材料和工藝等。能源與可持續發展主題硅薄膜科學與技術，下一代無機薄膜光伏電池，有機和混合太陽能電池，可持續太陽能轉換，能源和環境催化納米材料，熱電材料——從基礎科學到應用，電網規模儲能材料及技術，核技術先進材料，能源材料表征，表面/界面表征和可再生能源，染料敏化太陽能電池用有機和無機材料，半導體應用有機和聚合物材料合成和加工，光電化學和光催化太陽捕獲和存儲用材料，控制能源應用光與半導體納米結構之間的整合，薄膜光伏材料的缺陷工程，碳捕獲材料，氧化物薄膜處理和異質結構，薄膜和塊狀氧化物——合成、表征與應用，固體氧化物燃料電池的材料和界面，半導體表面的光活化化學和生化處理，電化學能量存儲材料的前沿研究——設計、合成、表征和建模，基于鋰離子電池的新能量存儲技術——從材料設計到系統集成，能量存儲和轉換力學——電池、熱電和燃料電池，先進電池管理系統的材料、技術和傳感概念，柔性能源器件和系統的材料挑戰一體化戰略，錒-基礎科學、應用和技術等。納米材主題大面積石墨烯和其他二維層狀材料——合成、屬性和應用程序，半導體納米線和納米管——新型材料、先進的異質結構、添加和設備，納米復合材料的傳輸屬性，設計蜂窩材料——合成、建模、分析和應用，自組織和納米尺度格局成形，微機電系統——材料和設備，彈性應變工程材料屬性，在極端環境中的納米材料，納米金剛石的原理及應用，通過取向連接和介晶形成的納米晶體的生長，納米粒子中尺度的自組裝——制造、官能化、組裝和集成，半導體納米線的合成、性能及應用，磁性納米材料和納米結構等。

回顧MRS會議近期3次會議的主題，筆者注意到，MRS會議的最大特點是越來越趨向于將納米材料、光電材料、生物材料和能源材料融為一體的新材料應用，尤其是鹵化物鈣鈦礦薄膜電池、傳感器等熱點方向。

3 MRS大會報告

康寧公司David L Morse

有別于國內相關材料會議，MRS 會議沒有開幕式，每次會議僅安排有一個大會報告，時間設在會議第二天晚上的18:30～19:30進行。從2013年秋季會議、2014年春季會議和秋季會議3個大會報告的選題可以看出，MRS更強調材料的實際應用和創新。

回顧2013年MRS秋季會，康寧公司David L Morse作了“A Day Made of Glass——Vision Becoming Reality”的大會報告，描繪了一個相互關聯的未來遠景：觸控固定或便攜式顯示器，通過高帶寬的信息傳遞功能，將從根本上改善我們在生活、工作和娛樂等方方面面的體驗。玻璃技術的進步是實現未來遠景的關鍵，從高性能液晶顯示器玻璃到超硬、超薄、超輕的Corning?Gorilla?玻璃和柔性Corning?WillowTM玻璃基板，以極高的帶寬、低損耗的光纖和連接器提供有線和無線的應用。報告討論了這些發展和技術軌跡。

波音公司John J Tracy

2014年MRS春季會議，波音公司John J Tracy作了題為“材料——推動航空發展的關鍵因素”的大會報告。報告中，John J Tracy坦誠他并不是一位材料科學家，但他是一個材料的終端用戶，尤其是他所在的波音公司。他的報告概述了航空航天工業簡史以及波音公司在全球航空航天領域的重要地位。他指出，自1980年起空中交通一直在以每年5%的速度穩步增長，而今天全球約20 000架客機的規模有望在未來20年內翻倍。自噴氣時代以來，燃油效率提高了70%，波音公司通過確保每一代飛機都比其前輩節能15%～20%。波音公司的目標是在2020年達到碳的中性增長，也就是說，飛機排放的CO2等于1995年的水平，盡管空中交通規模將遠遠大于那一年。報告指出材料科學研究開始在航空界受到重視與20世紀30年代著名的巴黎圣母院足球教練Knute Rockne的死亡有關。之前的墜機事故被歸咎于惡劣的天氣。但是那次的失事是由于飛機不良的設計和材料應用。針對這一事件開展的調查，對全金屬飛機制造標準提出了更高要求。航空工業此后在4個方面進行了大幅提高：系統、發動機、材料和空氣動力?！霸诿恳粋€象限，材料都滲透到了這些改進的方方面面”，John J Tracy說。報告指出，從20世紀40年代開始，復合材料在飛機結構中開始發揮了巨大的作用，他們的貢獻不斷增加。波音787是第一架使用復合材料超過50%的飛機。它更輕、更耐用、不易疲勞、燃料效率比其前任更有效，達到20%。John J Tracy印象最深刻的就是材料科學對噴氣式發動機所做出的貢獻。最近，在引擎鼻錐(nose cones)中陶瓷基復合材料比以往航空標準中的鈦材允許更高的工作溫度，從而帶來更高的效率。為什么航空業采用新材料的發展需要這么長時間？因為他們必須謹慎確保每架飛機的可行性和安全性。“一個新的材料系統必須努力獲得登上飛機的機會”，John J Tracy說?，F今飛機的許多部件都要經過100 000次測試才可獲得批準使用。目前正在使用更加復雜的計算方法來取代以往通過試驗來驗證新材料，物理測試在此過程中發揮著積極的作用。作為材料終端用戶，John J Tracy喜歡看到材料具有多種功能，如電氣、機械、導熱、吸聲和阻燃性能等，且易于人類制造。盡管他知道這些要求很多，但他確信材料科學界會接受這樣的挑戰?！拔蚁嘈盼覀儾艅倓傞_始利用先進材料的優良性能” John J Tracy如此推斷。

三星公司Hyuk Chang

2014年MRS秋季會議的大會報告由三星公司Hyuk Chang所作,題目為“電子材料中的創新”。Hyuk Chang首先回顧了以往普遍存在的從新材料到新產品的演變路徑:科學家發現新材料→為它們的制備開發合成路線→開發這些材料的新功能→實現新的設備。他列舉了平板顯示設備在液晶(LC)方面的演變和移動設備在鋰金屬氧化物或有機電解液充電電池方面的演變。以前者為例，從其發現到第一個液晶顯示產品誕生，花費了87年。報告指出，在目前這個數字和信息技術的時代，電子材料技術的創新落后于設備的革命，由于客戶對于新的功能的需求，設備產品的生命周期相比材料研發的生命周期變得越來越快。例如，佩戴式智能電子產品的需求對為其供電的電池材料提出了更高要求?，F在沒有新材料的協助，我們將無法面對這場電子產品性能的革命。

報告分享了三星公司從研究開始階段同步開展材料研究和設備研發的進程，從而使設備性能要求得以實現，實現了新材料和設備的同步提高。在這個進程中，設計、樣機研發和生產進程也都是同步的，因此，一旦材料邁上一個新階段，很容易就進入下一代電子產品的研究和開發中，最終促進實用性材料的規模化生產，同時推出新一代電子產品。他舉例說明了移動電子設備顯示屏以及電動汽車電池用材料的研發路線圖；列舉了三星公司先進技術研究所在材料方面的研究成就，該所負責前沿研究和新技術的傳播。

4 MRS材料研究前沿分會(Ⅹ分會)

牛津大學 Henry Snaith

2014年MRS秋季會議X分會——材料研究前沿分會是本次會議的又一個亮點。其它分會都分散于海因斯會議中心和喜來登酒店的各個分會場，只有X分會設置在喜來登酒店的大會議廳，如同大會報告特別安排在晚間18:30～19:30舉行一樣，X分會也特別設定在每天中午午餐時間召開，即滿足了更多學者的時間需求，同時也顯示出材料前沿分會的重要性。該分會每次僅安排一個報告，報告結束后，與會學者排隊提問，場面熱烈。本文分享了來自牛津大學的Henry Snaith博士與來自麻省理工的Angela Belcher博士2篇研究前沿報告。

麻省理工 Angela Belcher

Snaith博士的報告題目為“從納米結構到鈣鈦礦型氧化物太陽能電池”。報告稱，他的研究在2012年以前并無涉及任何鈣鈦礦型氧化物，但涉及到一些重要原則，直到后來基于這些材料應用于太陽能電池。他將染料敏化電池作為一個“技術平臺”，重點討論了鹵化物鈣鈦礦型氧化物太陽能電池。報告指出，最初的 CaTiO3鈣鈦礦型氧化物在1839年即被發現；但直到1959年才定義了它們的結構；2006年第一個關于鈣鈦礦型氧化物太陽能電池的報道才出現。Snaith博士指出，解決實際問題對于新材料實際應用已開始變得非常重要。例如鈣鈦礦型氧化物薄膜為棕色，不適宜作為大型建筑物的涂層；另外也需要保持穩定的陽光、水和高溫。如果能夠給出相應的解決方案，鈣鈦礦型氧化物薄膜太陽能電池將極具成本競爭力，因為它的生產消耗能源較少，產生的廢料更少。Snaith博士在本屆MRS會議上被授予了杰出青年研究者獎。

Angela Belcher的報告題目為“給予能源、環境和醫學材料新的生命力”。 報告指出，新型納米材料可以通過利用遺傳控制和仿生合成生長與組裝。其中的一個早期案例是有關基于病毒的金單晶納米線。報告介紹了在儲能領域中，其實驗室使用M13病毒從地球上豐富的元素中生長和組裝了高效催化劑，該研究證明，生物工程可以加強電極的設計，提高鋰離子和鋰氧電池的特定容量和循環性能。Belcher的報告真正將金屬材料、生物材料、納米材料、電子材料、能源材料融合為了一體。

本次MRS材料研究前沿分會的另外2個報告是有關基礎科學和先進制造進展和機遇的材料基因組計劃和二維材料科學中的石墨烯。再此之前的兩屆MRS會議中，X分會則涉及有關開放大數據材料研究和化學反應中的原子作用等前沿研究領域。

5 近3次MRS會議中的獎項專題講座

表1 2013年秋季會議、2014年春季會議、2014年秋季會議中的獎項專題講座主要聚焦在了納米科學方向

6 MRS會議展覽

每屆MRS秋季會議的展覽都可以用規模宏大來形容，每次均吸引了270～280家參展商，除了出版集團，如IOP， Springer， Cambridge， Oxford， World Scientific， Wiley， CRC Press等，還有更多的相關企業，有些企業堅持20年參會，主要為了會見客戶、收集反饋信息并現場解答疑問。2014年MRS會議還包括招聘環節，除了林肯實驗室等國際單位，國內包括中科院寧波所、南京大學、上海交大、西北工業大學等高校也參與招聘活動，應聘者更多地集中在能源電池等領域。MRS也致力于通過出版包含材料科學方面最新研究成果的《材料研究學會會議論文集》、《材料研究學會通報》、《材料研究期刊》等著名刊物以及其他專著、數據庫和影像資料來推動學術交流。其中《材料研究學會會議論文集》收錄了從20世紀80年代早期的所有美國材料研究學會的會議論文，詳細記錄了過去30年材料科學的發展。從2011年起MRS期刊及會議論文集通過劍橋大學出版社出版，全部內容已上傳至劍橋期刊在線平臺。為了追蹤能源和可持續發展前沿研究，MRS主席Tia Benson Tolle教授特別強調了在每年MRSBulletin的第3期、第6期、第9期、第12 期中將分別推出Energy Quarterly主題。

7 結 語

近期，在以中國工程院周廉院士為大會主席的國內系列新材料高層論壇上，周廉院士多次提及應該將材料分為3大類：傳統材料，如銅、鋁、鋼、水泥等；關鍵材料，如具備特殊性能的功能材料和不可替代的稀缺資源；新材料，如生物、光電、能源和納米材料。而MRS會議關注的也都是這些新材料，如石墨烯及其氧化物薄膜、微納米孔道、有機/無機薄膜光伏電池、傳感器等。這些新材料的共同特征是能夠滿足人類健康、能源可持續發展的需求，利用模擬計算手段，融合納米技術，將光電材料、生物材料和能源材料融為一體的新的材料應用，這也是未來材料發展的趨勢。(DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2014.12.06)