回溯物质、材料革新历史,展望未来材料17大研究动向!

时间2022-07-26


作者:刘康 方鲲1 李玫2

1. 北京纳盛通新材料科技有限责任公司 2. 北京热塑性复合材料工程技术研究所



摘要

人类社会发展的历史证明,材料是人类赖以生存和发展的物质基础,是国民经济和国防力量发展的基础和先导,它改变着人类的生活方式和思维方式,是人类文明进步的里程碑。古代的石器,青铜器和铁器的兴起和广泛利用对社会进步起到了关键性的作用,被历史学家分别作为某个时代的重要标志并以此命名那个时代。19世纪发展起来的现代钢铁材料,推动了机器制造工业的飞速发展,为20世纪的物质文明发展奠定了物质基础。20世纪下半叶开始的新技术革命,使新材料成为材料发展中最活跃,最有生命力的部分。所以世界上所有工业发达的国家都把发展新材料放在重要位置。近年来,中国的新材料产业如何在世界经济发展的激烈竞争中崭露头角,将成为影响我国经济建设,国防建设和社会发展的关键问题。

物质与材料的分类和变迁

如图1所示,物质·材料可以根据制造·合成(Process)、结构(Structure)、性质·特性(Property)、性能(Performance)的构成要素进行分类,另外,也可以根据力学、电子、光、磁等的功能和利用系统或使用方法进行分类。最常见的分类大致分为图2所示的无机材料、有机材料,分为金属、陶瓷、半导体材料、高分子材料、复合材料的方法。另一方面,也有如图3所示的Allen等人提出的基于非结晶相、结晶相和液晶相的物质·材料的分类法。这是一种以结构为中心,以位错为代表的结构缺陷的重要性为基础的分类方法。图4是Ashby于1980年发表的材料变迁预测图。

图1 物质·材料的构成要素、功能及利用的系统

图2 物质·材料的分类

图3 根据构造分类物质·材料

图4 材料的变迁

金属在1960年左右相对的重要度(Relative Importance)最大为70~80%,之后由于聚合物、复合材料、陶瓷和玻璃的比例增加,金属的相对重要度将减少。有趣的是,本图为左右对称形,换言之,即使陶瓷或复合材料等材料从自然物置换为人工物,也返回原来的比率。其次,从2000年左右开始,金属以外的材料逐渐饱和,这一点很有意思。这可以认为是因为尝试使用陶瓷或复合材料作为结构材料,但存在脆性材料的可靠性问题,无法与金属进行替代。如果这个脆性的问题解决了,历史有可能走向金属以外的物质·材料的利用扩大的方向。

图5总结了金属、纳米技术、半导体材料、高分子材料、复合材料的各物质、材料取得了怎样的发展,哪个物质、材料何时被使用,支撑其的测量、分析、实验技术是什么,相关的理论、背景是什么,得到的实用物是什么的历史。从这个图可以看出支撑的技术和出现的材料很好地对应,理论也随之追赶而上的出现。从物质、材料的角度回顾历史,可以说金属的测量解析技术是从非常早的阶段开始发展的,支撑这个的理论也从初期时代开始出现。

图5 物质·材料的变迁及支撑的技术和理论

金属之后出现的精细陶瓷,一部分表现出与金属相似的倾向,发展了独特的测量技术,被认为是烧结和热力学等陶瓷特有的理论支撑的。高分子材料近年来大量出现,占据了重要位置,半导体材料也随着最近几十年重要理论和解析技术的急剧地结合而发展起来。与此同时,在纳米技术中,虽然以前就有透射型电子显微镜,但认为扫描型隧道显微镜的开发成为了很大的支撑,与材料开发相连,在复合材料中,非破坏检查为一项重要的技术。

材料科学的构成

如表1所示的材料科学的变迁。简而言之,材料科学是在对金属、陶瓷、聚合物等物质、材料抱有好奇心而形成学问的好奇心驱动(Curiosity Driven)时代(到1965年为止)、重视功能而谋求结构材料及各种功能材料等实用化的功能驱动(Function Driven)时代(到1985年为止)作为实用系统,经过以进一步的实用化为目标的系统驱动(System Driven)的时代(到2000年为止)到现在。目前,如图6所示,迎来了好奇心驱动(Curiosity Driven)和系统驱动(System Driven)融合的纳米技术·纳米材料的时代。现在已经到了需要引入纳米级的效果,即作为纳米表面积变大的表面效果和量子效果的新的物质·材料科学的时代。

表1 材料科学的发展

图6 物质·材料的变迁及支撑的技术和理论

图7展示了材料革新和景气循环的关系图。虽然景气有50~60年左右的周期,但是随着蒸汽机和汽车的发明等产业革命,通过新的物质、材料得到的技术革新成为经济发展的原动力。今后,纳米材料的材料革新,与环境问题和生命科学相关的问题解决相结合,有望成为经济发展的原动力。

图7 材料革新与景气循环的关系

如图8所示的将来的材料科学的发展方向。一种是通过操作原子和分子制作纳米级材料,引入纳米级效果。另一种是以结晶相、非结晶相、液晶相的角度,从非平衡工艺制作纳米微结构,发现新的特性。这些都是统一归属为无机、有机材料的方法,期待今后建立新的材料科学。

图8 今后的物质·材料科学(纳米材料)

物质·材料的未来研究动向

如图9所示,未来材料的研究方向主要包括:(1)纳米材料、(2)超导材料、(3)磁性材料、(4)半导体材料、(5)生物材料、(6)生态材料、(7)喷气发动机·燃气轮机用超耐热材料、(8)追求素材性能的金属材料、(9)陶瓷材料、(10)复合材料、(11)高分子材料、(12)作为物质·材料的研发相关的研究基础—分析·评价技术、(13)强磁场产生技术及其应用、(14)纳米模拟科学、(15)新物质创制技术、(16)材料数据及信息的获取和传送技术、(17)国际标准。

图9 本文中对物质·材料的分类

以下针对各项研究动向进行介绍:

1.纳米材料

纳米材料是目前最受关注的材料之一,其应用范围涉及多个方面。

在纳米管中,显示半导体或仅金属性质的选择性合成和控制是重要的。通过研究纳米管的功能和机理是否可以应用于元件等的基础研究是必要的。

在纳米粒子中,作为粒子制作技术的课题,需要数~数十nm大小的粒径控制和形态及界面的控制,通过纳米粒子表面的改性、线路板上的排列及集成技术。

在纳米粒子合成中,生成过程的原位观察、胶体气溶胶科学的导入和模拟技术的高度化是很重要的。由于量子点激光器已达到实用化水平,因此标准化变得重要,同时量子点在单电子效应器件、量子信息处理、自旋电子学中的应用或生物分子识别中的应用的研究变得重要。

由于半导体器件在高性能化方面存在局限性,因此对作为突破技术的纳米器件的期待提高。因此,可以认为单电子器件和分子器件等的研发会变得更加活跃。利用金属原器件的特性,实现无所不在信息化社会的高性能便携终端的开发不可缺少的可编程器件的开发已经开始,这些器件使神经网络的实现变为可能。

2.超导材料

超导材料有氧化物系和金属系两种,氧化物超导材料与金属系超导材料相比具有临界温度Tc和临界磁场Bc₂高的优点,但金属系超导材料具有对应力和应变的耐受性强、操作性优异的氧化物系超导材料所没有的特征。在氧化物系超导材料中,正在研究铋系氧化物和钇系氧化物的实用化。

铋系Bi₂Sr₂CaCu₂O(xBi-2212)和Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃Oy(Bi-2223)线材虽然在实用化中特性还不充分,但具有很大的潜力,关于这方面的研究正在全力以赴的进行。另一方面,在钇系氧化物超导材料中,线材长条化技术的开发和制造成本的降低是实用化的关键。

在金属系超导材料中,提高Nb₃Sn和Nb₃Al线材等高磁场中的特性是很重要的。除此之外,仍需要在长条化、稳定化、交流损失的降低等方面进行研究开发。在MgB₂中,在提高特性的同时,需要开发长条化、多芯线化、稳定化材料复合等技术。另外,金属系、氧化物系都考虑应用于核聚变实证炉的低感应放射化对应的超导线材的开发也很重要。

对于超导线材的高性能化,纳米级的结构控制被认为是有效的,在氧化物系中,起始物质的纳米粒子化、层状结晶结构、晶界结构的改变等成为重要的研究课题。另一方面,为了使氧化物系、金属系的临界电流密度Jc飞跃性地增大,已知纳米尺寸的人工引脚的导入是有效的,今后将进一步进行研究。在探索新超导物质的领域中,利用超高压、超高气压、软化学等特殊环境的合成非常有意义,期待今后的进展。

3.磁性材料

每辆汽车使用25~30个马达,通过使永久磁铁高性能化可给汽车的轻量化带来很大的效果。在混合动力汽车和电动汽车中,需要能够在200℃的温度范围内使用的永久磁铁,不添加重稀土类元素Dy而得到高保持力的永久磁铁、耐热性Nd-Fe-B磁铁、各向异性纳米复合磁铁材料的开发是很重要的。另外,关于便携设备的小型化,对能够在薄膜工艺中工业化大量生产能量积高的磁铁的制造方法的关心度越来越高。在软磁性材料中,随着信息通信设备的发展和磁记录的高密度化,按用途进行具有最佳特性的材料开发,其中支持GHz频带通信的高电阻软磁性材料的重要性在增加。对于磁性记录的记录头,需要超过FeCo以上的高磁通密度材料,20年来在永久磁铁材料的领域中也没有发现超过Nd2Fe14B特性的化合物。

今后需要用计算材料科学的方法,预测可能超过现状特性的新的化合物材料,没有计算科学的帮助,新材料的探索变得无法实现。磁记录介质是从当前面内方式向垂直方式的过渡期。垂直磁记录方式在原理上是能够比面内方式提高更多记录密度,已经逐渐走向实际应用。

为了以垂直磁记录方式提高记录密度,需要使用顽磁力更好的介质,使用目前磁头的记录变得困难。因此,预计将兴起用于实现使高Ku材料倾斜取向的倾斜记录方式和使软相和硬相交换结合的纳米复合介质的材料研究。当垂直磁记录方法达到极限密度时,最有可能用作介质的是诸如FePt的高晶体磁各向异性材料(高Ku材料)。

为了记录再生矫顽力极高FePt纳米粒子介质,提出了热辅助方式,为此,研究FePt纳米粒子的L10规则化过程,研究纳米粒子的二维排列有必要研究开发通过有序热处理抑制粒子的聚结生长和粒子的取向等FePt形成适合于热辅助方式的介质结构。另一方面,不仅要进行FePt等高Ku材料,还要进行CoW和CoMo等结晶磁各向异性常数K2高的介质材料研究。用于提高磁记录密度瓶颈是再生磁头的开发,希望开发再生灵敏度更高的GMR元件,但近年来的GMR元件的三维纳米结构变得复杂与产业界的器件开发平行,应该由产官学分担原理的确立和纳米结构分析的研究。另一方面,对于正在研究应用于MRAM和再生头的隧道型磁阻元件,为了实现复杂化的纳米结构的分析、使用了半金属的隧道磁阻(TMR)结的高TMR值,应该推进进一步的研究。

4.半导体材料

迄今为止,Si系电子器件通过使用光刻的集成化实现了高速化和高功能化,但今后将改变材料和结构,将该趋势维持到栅极节点22nm(实际栅极宽度为10nm)。因此,正在推进高电介质栅极绝缘膜、金属栅极、低电介质层间绝缘膜等的开发。

在实现这个目标之前,使用这些技术的Si器件确实占据了半导体器件的90%以上。另外,以更高速化为目标,会出现使用了Ge和CNT沟道的MISFET和使用了GaN的高频晶体管和Si-MOSFET的混载的1个芯片实现多功能的器件。有机器件目前还只用于显示设备的一部分,但将来会用于弯曲器件等有特征的领域。此外,可以认为,化合物半导体分为承担量子点等各种量子效应器件的GaAs系材料和有望应用于发光元件、照明器具、THz区域高频晶体管等的GaN系。

5.生物材料

在作为治疗的人工脏器材料和组织再生材料中,将可避免异物反应和免疫反应的超生物体亲和性材料的创制和用于制造细胞外基质类似环境的材料、与诱导细胞分化、增殖材料相关基因的研究,为了最大限度发挥细胞功能而控制细胞的技术等以外,还需要制定安全放心的纳米生物材料的基本材料设计指南。

在作为诊断的生物电子学中,使用纳米加工技术·器件的生物分子的高灵敏度测量技术作为今后的动向受到关注。为了应对老龄化社会中日益增长的医疗需求,家庭医疗被认为越来越重要,但是为了提供更多且迅速的诊断有用的信息,半导体微细加工技术制作的微型化学分析系统(μTAS)和Lab-on-a-chip的技术开发是必不可少的,并且期望向与IT技术相组合的,开发在家检查系统。

6.环保材料

长期以来,人们忽视了材料的开发和应用必然受到生态环境的影响和制约。大规模地生产人类生存所必需的材料总是意味着一定程度上损害生态环境。为了人类的生存和发展,人们所面临的课题,即如何生产将环境负荷减至最低,再生率增至最大的材料。

日本东京大学山本良一等在90年代初提出新的研究领域“环保材料”Ecomaterials(Environmental Conscious Materials)或 Ecological Materials。生态环保材料是指那些具有良好的使用性能和优良的环境协调性的材料。良好的环境协调性是指资源、能源消耗少,环境污染小,再生循环利用率高。生态环境材料是人类主动考虑材料对生态环境的影响而开发的材料,是充分考虑人类、社会、自然三者相互关系的前提下提出的新概念,这一概念符合人与自然和谐发展的基本要求,是材料产业可持续发展的必由之路。生态环境材料是由日本学者山本良一教授于20世纪90年代初提出的一个新的概念,它代表了21世纪材料科学的一个新的发展方向。

在功能型环保材料中,随着光催化剂用途开发的扩大,关于光催化剂反应机理、活性提高、可见光化、稳定性化等的基础研究是必不可少的。特别是,新型可见光响应型光催化剂的开发和实用化是当前的课题。另外,为了选择性、有效地分离、分解、除去特定的化学种,还要求利用纳米技术、自组织化、铸型反应等来制造具有高度传感功能的环境净化材料。而且,对于这样值得期待的纳米材料本身,也具有水环境、土壤环境等地球环境下的化学稳定性、吸附有害化学物质后的纳米材料的脱离能力等需要解决的课题,需要适用于有助于创造安全、安心、舒适环境的环境净化材料。

系统要素型环保材料是环境适应型新能源系统不可缺少的材料。为了推进固体高分子燃料电池和氢能源利用、低温热源的利用等方面的研究,需要从物质·材料的基础出发,基于缜密的分析、组织控制和构造控制,以特性提高作为目标推进研究。生命周期设计型环保材料是从素材的资源采集到废弃再利用的整个生命周期降低环境负荷的材料。作为典型案例,要推进焊料的无铅化,就需使电子安装整体无铅化,因此高温及低温焊料合金及其相关技术的开发是不可缺少的。不使用焊料合金的接合系统,例如部分实际应用的导电性粘接技术也将成为今后的研究趋势。

今后,作为国家战略,需要产学官迅速推进无铅相关技术的标准化。关于再循环技术,不仅要推进以提高分离·纯化技术为目标的研究,还需要进一步推进允许人工杂质的存在或利用杂质的工艺技术。为了便于使用后循环再利用,还需要预先进行可回收材料的设计。

7.喷气发动机、燃气轮机用超耐热材料

为了节约化石燃料、减少CO₂的排放、防止全球变暖等全球性问题的解决,要求喷气发动机和天然气复合发电燃气轮机等各种热发动机具有更高性能。在代表性的超耐热材料Ni基超合金中,单晶合金具有最高的耐受温度。单晶合金包括初期的第1代合金、含有3wt%左右铼(Re)的第2代合金、含有5-6wt%Re的第3代合金等,并被广泛使用。

添加了钌(Ru)等铂族金属的第4代和第5代Ni基单晶超合金在喷气发动机中也正在被使用。作为将来有可能超过Ni基超合金的材料,长年进行了以Nb、Mo、W、Ta等为基础的合金开发。但是,还不能完全兼顾耐氧化性、韧性和高温强度。因此,这些合金的使用仅限于真空或惰性气体等保护性气体的环境中。另一方面,虽然将高耐氧化性、高熔点的铂族金属用于基底金属,与Ni基超合金一样具有γ/γ’结构的高熔点超合金备受期待,但在价格、比重、延展性等方面仍有很多有待解决的课题。今后,将Ni、Co、Ir、Rh、Pt等FCC系金属彼此混合成的γ固溶体作为基础金属,期待Ni基及铂金族为基底的、具有广泛特性和优良性价比的超合金的出现。

8.金属

由于金属的研究领域涉及多方面,本文将其分为钢铁、有色合金、热屏蔽涂层·喷涂。钢铁需要开拓以实际应用为前提的利用技术。例如,在高温多湿且地震多发的东亚,需要确保钢铁材料的耐腐蚀性和抗震性。在耐热钢中,为了保证长期的安全性,有必要就纳米析出物在高温使用中的过渡过程,以及高温长时间、纳米厚度的表面黑皮的生成和耐剥离性、焊接部的脆性断裂等展开研究。

近年来,虽然氢燃料电池汽车的实用化研究不断推进,但是,为了拥有与燃油车同等续航能力,不断研究储藏压力的高压化及可靠性高的相关材料。在钢铁材料可靠性研究中,发展与结构材料数据表编制项目及与材料开发相关的结构材料可靠性研究项目十分重要。在非铁合金中的铝合金,为了扩大飞机的需求,不仅需要材料及工艺的技术的革新,在循环再利用方面,发挥铝合金的优势的相关技术研发也变得非常重要。

镁合金的应用有望在汽车大型零部件轻量化方面不断扩大。为了通过双辊铸轧等大规模生产开发出有助于降低锻造材料成本的新型合金,对纳米组织分析和优化分散状态的纳米组织控制的研发也在进行。

钛合金在新一代飞机发动机部件领域、生物硬组织替代材料等生物相关领域有很大的需求,有待开发与此相关的新的合金。

多孔合金是一种具有高强度、重量轻、高冲击吸收和高阻尼性能的材料,为提高运输设备的碰撞安全性,通过将不同于孔壁的材料放入孔洞中来发现新功能的材料,巧妙地利用孔洞结构的混合材料是将来研究的方向。为了扩大金属间化合物的用途和种类,需要改善降低成本等相关制造技术,必须提高延展性和韧性。

数千种以上的金属间化合物仍有许多未知、未利用的特性和功能,为了利用这些材料,需要进行不断进行基础研究。在高熔点合金中,不仅需要强度,还需要开发先进材料,通过明确抗氧化性、耐腐蚀性和可制造性等条件来降低成本。为了进一步扩展用途, 形状记忆合金研发在不断地进行,作为具有传感器、致动器、减振性、超弹性等多功能的智能材料,今后的应用将不断扩大。高温和长寿命是隔热涂层的重要组成部分。

近年来,面漆材料的发展和涂层工艺的发展受到了人们的关注。开发能够稳定未来稳定的氧化层(TGO)生长速率并稳定基材微观结构变化的粘结涂层材料至关重要。喷涂工艺是一种能够在大面积和高速下形成从金属到塑料的各种材料的涂层工艺,预计喷涂的速度和速度会降低。在纳米结构材料涂层中,耐磨性和附着力得到了提高,特别是在喷涂量大的领域备受关注。热喷涂是一项重要的技术,可为环境耐久性提供大量替代品。

9.陶瓷材料

作为非氧化物陶瓷材料的碳作为结构材料和电子材料等的应用范围很广,最近研究涉及在生物和环境领域的应用。另外,有关于金刚石的超导、热解石墨、富勒烯中的铁磁性等新现象的报道,依然是从多方面受到强烈关注的材料。另一方面,同样非氧化物的碳化物、氮化物、硼化物的代表性材料为碳化硅、氮化硅、赛隆、氮化硼、碳化硼、金属硼化物等,作为工程陶瓷具有广泛的用途。最近,相继发现了新的赛隆荧光体、MgB₂超导体、具有电子发射能力的氮化硼等,光和电子相关的功能也受到关注。

作为氧化物类精细陶瓷材料的代表,可以举出氧化铝、氧化锆、氧化镁及其复合氧化物。这些材料是自古以来就为人所知的材料,但以100nm以下的尺寸设计和控制晶界、粒内、晶粒、形成相、空隙的形状、排列、组成分布等的方法正在成为主流,该动向今后会进一步增强。另外,为了优化功能的组合,在纳米领域的结构控制方法的开拓、纳米结构的实验及理论计算、结构与特性的关系解析的研究凸显其重要性。

3d过渡金属氧化物由于表现出催化剂、光催化剂、铁电性、磁性、超导等极为丰富多彩的物理、化学性能,因此作为环境净化、低负荷材料、能量材料、信息、通信材料以及电子、光学材料被广泛研究。今后,其重要性也不会变化,对它的研究将会持续活跃进行。另一方面,关于4d、5d系的铌氧化物、钽氧化物,由于可作为铁电材料,会对其进行研究。特别是具有定比组成的铌酸锂晶体和钽酸锂晶体具有良好的特性,因此备受关注。

稀土氧化物被用作固体激光等发光材料。在该领域,将开展透光性陶瓷用于激光主机的研发。玻璃是被广泛使用的材料,但近年来,在环境、能源、信息等领域,要求其进一步的高功能化。重点研究的材料是通过高度组织控制而表现出新功能的被称为纳米玻璃的功能性玻璃,通过运用各种制造方法,追求高精度化、高功能化。

10.复合材料

在复合材料中,根据以往进行的强化材料、基体、界面这些参数的处理,需要各个材料本身和界面的组织控制和设计、能够控制综合性能的技术。因此,特别需要以塑料系、陶瓷系复合材料等为对象,积极地进行基体本身和界面纳米结构控制、具有远远超过利用纳米级的弹性模量和热膨胀系数之差的以往特性的性能的复合材料的研究等。

作为今后的方向,希望积极地利用纳米材料技术探索新的复合效果、积极地利用最新的科学技术进行试验和测量技术的开发。另一方面,在纤维强化塑料等中,随着用途的扩大和高度化,产生了现有技术无法充分应对的问题。在这些领域中,强烈希望对过程、特性评价、可靠性确保和保障等旧的、新的、重要的未解决的问题进行挑战。而且,不是以复合材料单体的用途为目标,而是与现有的其他种类材料进行混合化,扩大材料所具有的特性,同时补充复合材料弱点的用途开发也是必要的。

11.高分子材料

高分子,作为产业的基础材料的塑料,橡胶和粘接剂,光致抗蚀剂和分离膜,凝胶和生物材料等,其用途广泛。另外,包括纤维、发泡苯乙烯、纸张等,可以说是与当今复杂多样的产业结构密切相关的材料。

高分子材料与金属和陶瓷一样,生产规模大,对石油和环境问题的影响也大。作为降低环境负荷的技术,开发了无卤素阻燃剂、不含VOC(挥发性有机化合物)的水溶性高分子涂料等,开发了使用高分子膜的水处理技术、轻量的高分子复合材料等与节能相关的技术,或者燃料电池等与能量相关的高分子膜。另外,还可以看到以CO₂为原料的非光气法聚碳酸酯制造工艺、自消化性环氧树脂、再循环涂装系统等值得关注的新技术。另一方面,高分子材料被认为是纳米技术的重要要素,也是医疗和生物技术不可缺少的基础材料。同时,高分子材料克服了环境、安全、能源等当今我国的各种问题,被认为是支撑可持续发展的重要材料。

12.分析、评估技术

纳米测量是以专门用于有限材料的评价的形式开发的,缺乏一般性的东西很多。今后,有必要开发具有一般性、通用性的纳米测量装置及方法。特别是,有必要致力于能够评估以原子级精度组装的大规模集成电路的纳米测量技术的研究开发。多探针测量通过超并列大规模化,可以超越纳米测量的框架,向兼具前所未有的精密度和规模的纳米结构制作及测量技术展开。

在极限场测量中,在极限场STM测量中,磁场强度越强,越有可能发现新物性和功能,因此磁场强度的开发竞争将来也会持续。

在高尖端测量技术的开发中,不可缺少精密测量技术和极限场环境创制技术,在解析纳米结构表现的功能和物性的机理上成为强有力的工具,有可能带来全新的纳米功能和量子效应的发现。

在表面分析中,从光谱测定以高空间分辨率且高速地推定二维、三维的元素分布及结构,具有度量衡学的严密性是很重要的。为此,需要根据记录固体中电子和物质的相互作用的精确物理量数据库及其传输现象的精确见解来建模。

在透射型电子显微镜中,为了提高电子显微镜的高稳定性、电子束的单色化、透镜的像差修正等整体性能,正在进行研发。通过在透射电子显微镜内进行不仅包括形态、结构、组成变化,还包括电、磁特性的原位纳米物性测定,可以探索发现依赖于纳米物质、材料的结构、组成的纳米物性。

在评估法的标准化中,为了保证分析结果的再现性和可追溯性,需要正确地表示与分析相关的指导方针,明确应测定的对象、标准化和规格的制定变得越来越重要。

13.强磁场产生技术及其应用

在强磁场NMR中,今后需要开发的强磁场磁铁是电源驱动型超导磁铁(1.2GHz级)和混合磁铁(1.5GHz级)。这些强磁场磁铁与永久电流驱动的超导磁铁相比,磁场强度上升,另一方面,磁场的稳定性本质上差1个数量级以上,因此在该状况下也需要开发能够进行高分辨率NMR测定的设备和测定方法。

在使用NMR的测量中,除此之外还有磁共振成像(MRI)。该技术一直被用于发现脏器异常部位等医疗领域,但今后也有望适用于功能测量。由于NMR在理论上灵敏度与磁场的3/2次方成比例地上升,所以从功能测量的观点出发,希望开发强磁场MRI。

与NMR光谱仪相比,人体用MRI需要在约10倍的直径产生强磁场,因此除了NbTi线材之外,还需要开发在高电磁力下使用临界磁场高的Nb₃Sn线材或Nb₃Al线材的技术。质谱分析认为,质谱法在生物科学和纳米技术中的重要性迅速提高,今后将积极尝试使用超过10特斯拉的超强磁场,飞跃性地提高FT-ICR法的性能。强磁场TOF-MS法可以同时进行强磁场中的物质的质谱和光谱测定,因此可以通过光谱测定来观测强磁场对质量选择的蛋白质分子和纳米团簇的结构和反应性的影响,可以期待今后的发展。

14.纳米模拟科学

计算科学方法根据作为对象的物质的尺寸和现象的时间尺度,分为以电子水平为对象的第一原理计算、处理原子和分子的集体运动的分子动力学法、以块状材料为对象的有限元法和统计热力学法、Phase-field法等。特别是,关于纳米生物物质,期待通过原子尺度的设计·控制来发现、探索创新的功能,在实验中进行困难的高精度、高分辨率的数值解析,并且预测在完全控制的环境中的功能,反馈至实验等,对计算科学的要求非常大。因此,有必要开发解析纳米生物物质的电子状态与物性及功能相关的先进量子模拟方法,并且超大规模计算、多功能解析(多功能解析)、强相关建模、多尺度方法等的开发和高度化成为当务之急。

15.新物质创制技术

新物质创造技术包括粒子束应用技术和真空工艺应用技术。

在粒子束应用技术中,关于利用离子注入技术的非平衡性·空间控制性的纳米粒子·纳米结构制作,以金属及氧化物为首的多种纳米粒子和纳米棒形成等的多样化将继续取得进展。为了这些纳米材料的高功能化,必须从随机纳米粒子结构向(一维)排列化纳米粒子结构展开,微细加工技术和激光照射等组合的比重有所提高。在使用电子束诱导蒸镀的纳米结构制作中,除了需要发展所得到的结构的精密鉴定技术之外,还需要改善结晶性等与物性相关的方面。

据推测,在真空工艺应用技术中,在今后的下一代器件的研发过程中,将推进例如将布线材料转移到不仅是半导体类材料,还容易气体吸附、处理困难的金属类材料等的研究,进而将布线宽度降到纳米级等。在极高真空的原子和分子水平下,可以在超清洁环境下操作的极高真空工艺性能将进一步得到提高。

16.材料数据·信息的获取及发送

在材料数据、信息的取得和传送结构材料数据库的变化中,在取得先进耐热钢及耐热合金的长时间蠕变特性的同时,还需要对汽车等节能化需求高的Al合金、Mg合金等轻量有色金属材料进行研究。

在金属疲劳研究中,研究主题转移到了107个循环以上的超高循环疲劳区域的破坏,特别是内部破坏的解析等。今后,将深入到有平均应力状态下的千兆循环疲劳特性、焊接接头的板厚效果及缺口效果的系统研究、Ni基超合金的高温疲劳特性等新的试验条件领域和材料等。腐蚀数据应在大气腐蚀环境中评价包括实用材料在内的各种材料的腐蚀性,以扩充与大气腐蚀现象相关的基础数据。

在宇宙相关材料强度数据表中,除了强度以外,还需要对要求很强的疲劳裂纹发展特性和破面数据集的出版和铜合金等其他发动机材料和重要结构材料的取得进行研究。关于物质、材料相关的普遍、高品质的基础数据,在国际合作的基础上推进数据的积累,同时,以通过数据信息发现物质、材料相关知识为目标的研究也将活跃地开展。

17.国际标准

在标准物质的纳米领域分析中,以材料计量为关键,预计现场使用的2次标准和实用标准的整备将迅速开展。在VAMAS(国际标准化研究)中,很多国家将纳米材料作为国家政策,竞争国际标准化,今后,在国家和产业界运用VAMAS国际标准化活动的重要性将提高。纳米技术的标准化将在未来几年取得飞跃性进展。