7大热门材料，每一种都可能颠覆生活

自18世纪以来，材料学一直是工程学科的基础。世界上大部分的创新、革新和发明都依靠着材料学的发展与进步。没有材料学，就不会有飞机、汽车、计算机、智能手机等一系列高科技产品的发展。Matmatch的材料科学编辑Benjamin Stafford于2020年五月发布了对2020年材料科学领域前沿研究主题的分析，其总结的2020年七大热门的材料科学研究主题有：

世界上几乎所有拥有科学与工程研究的大学都有专门针对以上主题的相关课程或院系。在以上提到的这些主题中，Matmatch的材料科学编辑Benjamin认为其中有些主题可能会成为下一代重大革新的推动者。正如半导体的发现将我们带入计算机时代一样，也许忆阻器或拓扑绝缘体将带我们进入量子计算机的下一个典范转移；过渡金属二卤化物也许会开辟光电器件新的适用范围；超材料也许将揭开隐形的秘密……

本文通过分析来自ScienceDirect的数千篇出版物，揭示了2020年材料科学领域的最新研究趋势。

2018-2019年材料科学领域研究增长最快的主题

2000-2019年材料科学领域热门研究主题的文章发布数量

资料来源：ScienceDirect.com图表制作：新材料在线®

截止至2019年，石墨烯的出版物数量最多，超过20,000。自2009年以来，在有关世界上最薄的材料等盘点中，石墨烯经常受到媒体的关注。但是，根据以上统计数据显示，尽管石墨烯的出版量每年都在强劲地增长，但其增长率却略有下降。这主要是由于随着科学家和学者们对石墨烯材料的逐渐了解，以及对其性能掌握的日趋成熟，研究正逐渐过渡到寻找大规模生产石墨烯的制备方法的阶段。同时科研人员也在石墨烯中引入一些有趣的新应用，如传感器、药物、复合材料、电池、涂层、电子类产品、纺织类产品、汽车应用类产品、晶体管等。

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钙钛矿材料具有化学式ABX3以及立方晶体结构，其中“ A”和“ B”是金属，“ X”通常是氧，包括用于各种设备和技术的一系列半导体和绝缘体材料。

实际上，当今制造的每个电子设备在其电容器、传感器、LED或其他组件中都包含某种钙钛矿。钙钛矿的应用如此普遍，是因为它们提供了一系列有用的光学和电学性能，如介电性能、压电性能、LED中的高效发光特性以及光伏发电性能等。

从2012年开始，人们对钙钛矿太阳能电池的兴趣激增。人们意识到，如果合理使用钙钛矿，则太阳能电池有可能实现比当时更高的发电效率。2009年，钙钛矿太阳能电池的最高效率记录为3.8％，而到2018年，这一记录已经增加到23.3％。基于钙钛矿的太阳能电池具有出色的吸光性、电荷载流子迁移率和较低的制造成本，使其成为提供低成本太阳能电池的有力竞争者。

钙钛矿当前的研究集中于改善其化学稳定性以延长其使用寿命。与由硅锭加工而成的硅光伏电池不同，钙钛矿吸收层可以印刷或旋涂，使得其生产成本变得低廉。此外，硅材料对制造缺陷非常敏感，但钙钛矿基电池则在这方面表现比较优异。钙钛矿型光伏一旦获得更好的长期稳定性，就有望成为硅基太阳能技术的主要替代产品。

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材料信息学是材料科学和信息学的结合，旨在通过大数据信息科学的手段来帮助科学家实现材料的选择、开发和使用等。换言之，“材料信息学”是一种新颖的数据驱动技术，它将材料的基础知识和实验数据与先进的统计模型相结合，以预测未来的材料特性。自2000年代初以来，这就是一个新兴的领域，并且随着更高的计算能力和更好的实验数据记录，将实现成倍的增长。

借助强大的计算机能力，如机器学习或材料仿真等，可以代替一部分人工实验。这不仅仅是对于时间和成本的节省，更是进一步解放了劳动力，使科学家和学者能够提出更多的创新型想法和实验规划，届时费时或容易引入误差的实验将有大部分都由机器来模拟完成。同时大量的数据将会给科研工作者提供新的思路，实现整体上的形成良性循环。

机器学习或仿真等手段不会完全代替经验主义，其发展不代表我们可以摒弃人工实验所带来的好处，而是应该充分发挥各自的优势，两者的结合才能使得材料学的发展变得更加迅速。

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选择性激光烧结（SLS）是一种用于增材制造 （3D打印）的方法，主要用于金属和聚合物材料。就像材料信息学一样，数字化也对制造业产生的巨大影响已经众所周知，因此增材制造被视为第四次工业革命的一个重要发展方向。

选择性激光烧结作为一种增材制造技术，使用激光作为动力来烧结粉末材料，将激光自动对准3D模型定义的空间点，使材料绑定在一起以创造一个坚实的立体结构。它类似于选择性激光熔化，二者是相同概念的实例，但技术细节有所不同，它们主要用于快速原型制作和小批量的零件生产，可以实现具有复杂几何结构的快速成型。

SLS技术可以使用金属、热塑性塑料、陶瓷或玻璃等材料进行印刷，大多的市售材料为粉末状，包括但不限于聚合物，例如聚酰胺（PA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、热塑性弹性体（TPE）和聚芳基醚酮（PAEK）等。聚酰胺是最常用的SLS材料，因为它们作为半结晶热塑性塑料具有理想的烧结性能，因而零件也具有理想的机械性能。

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2017年至2018年期间，双硫属元素化物在科学出版物中的出现率增长了54％，它是具有MX2排列的材料，其中M是过渡金属原子（例如Mo、W、Ti、V和Nb），X是硫属元素原子（S、Se或Te）。科学家们对其的兴趣主要在于可以将它们制成类似于石墨烯的单层，具有作为超导体和半导体的潜在应用。

过渡金属二硫化碳（TMD或TMDC）单层是MX2类型的原子薄半导体，其中M为过渡金属原子（Mo，W等），X为硫属原子（S，Se或Te）。一层M原子夹在两层X原子之间，它们是所谓的2D材料大家族的一部分，命名主要是为了强调其非凡的薄度。例如，MoS2单层的厚度仅为6.5Å。这些材料的关键特征是与第一行过渡金属二硫化碳相比，二维结构中大原子的相互作用，例如WTe2表现出异常的巨磁阻和超导性。

2011年，媒体报道了第一个由单层MoS2制成的场效应晶体管（FET）。由于对2D通道中的传导进行了出色的静电控制，因此它在室温下具有极佳的开/关比，超过了108。此后，已经制成了由MoS2，MoSe2，WS2和WSe2制成的FET，它们非常薄的结构使它们有望用于薄而柔软的电子产品中。

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超材料是被设计成具有自然界中任何地方都没有的特性的人造材料，其主要应用有天线类材料、吸收器类材料、超镜头、隐形装置、抗震保护、声音过滤等。

超材料拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的固有性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料在成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。

超材料是一个跨学科的课题，包括电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等。它的奇异性质使其具有广泛的应用前景，如高接收率天线、雷达反射罩、地震预警等。

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按照导电性质的不同，材料可分为“导体”和“绝缘体”两大类。而更进一步，根据电子态的拓扑性质的不同，“绝缘体”和“导体”还可以进行更细致的划分。拓扑绝缘体就是根据这样的新标准而划分的区别于其他普通绝缘体的一类绝缘体。

拓扑绝缘体是一种内部绝缘，界面允许电荷移动的材料。因而，拓扑绝缘体的体内与人们通常认识的绝缘体一样，是绝缘的，但是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态，这是它有别于普通绝缘体的最独特的性质。这样的导电边缘态在保证一定对称性（比如时间反演对称性）的前提下是稳定存在的，而且不同自旋的导电电子的运动方向是相反的，所以信息的传递可以通过电子的自旋，而不像传统材料通过电荷来传递。

作为一种全新量子物态，拓扑绝缘体的发现被认为是继石墨烯之后的“Next Big Thing”。拓扑绝缘体对基础物理的理解和半导体器件的应用都有巨大的价值，因而逐渐成为凝聚态物理和电子学领域的研究热点，受到全球科学家关注，以期解决摩尔定律即将失效的难题，突破能源、信息等领域面临的瓶颈。经过十余年的深入研究，拓扑绝缘体在理论基础、材料体系、制备方法、物理性质、新型应用拓展等方面取得了显著进步。从红外到太赫兹频段的超宽频响应使拓扑绝缘体在微电子、光电子及自旋电子学等方面具有令人瞩目的应用前景。