市场经济下化学工业发展规划的编制(系列报道之四)
美国材料科学研究发展方向
中国化工信息中心教授级高级工程师  朱曾惠
    上世纪90年代以来，美国、欧盟和日本等国化工界陆续提出2020年、2025年化学工业发展设想，提出科技
创新是提高国际竞争力、推动化学工业可持续发展的关键，并将材料科学和技术作为优先发展的核心战略领域。
　　一、材料科学技术发展战略构想
　　美国于1996年提出《迎接挑战：美国化学工业面向21世纪》（Meeting Challenge：U.S. Chemical Industry
Faces the 21st Century）和 《美国化学工业2020年技术发展设想》（Technology Vision 2020：The U.S. Chemical
Industry），并成立2020年设想材料技术委员会（Vision 2020 Material Technology Committee），组织产业界、
学术界和政府部门的专家研讨并提出了发展战略和技术路线图，其中较为重要的有：
    (1) 未来化学工业2020年设想：（Vision 2020 Chemical Industry of The Future）（2000年8月）；
    (2) 纳米材料设计的化学工业研究开发路线：从基础到功能（Chemical Industry R&D Road for Nanoma- terial
by Design：From Fundamentals to Function） （2003年12月）；
    (3) 化学工业中纳米材料的经济效益评价（Estimation of the Economic Effect of Nanomate- rial in the
Chemical Industry）；
    (4) 纳米技术工业化的研究需求（Research Needs for Nanotechnology Commercialization）（2005年11月）。
　　为推动材料科学发展，该委员会提出近期、中期和远期发展计划和需研究的项目、存在的问题及解决方案。主
要包括5个课题领域（topic areas）：新材料；材料表征；材料建模和预测；添加剂；拆卸、回收和循环再利用。
并提出了2020年材料科学各研究领域应实现的目标。
    1.新材料
　　新材料技术是化学工业发展设想中的主要内容，也是实现构想的一个重要战略，材料是化学工业的重要组成部
分，在化学工业总体收入中占主要份额。聚合物、工程塑料和纤维贸易额已经达到2750亿美元/a。新材料和材料
技术的开发已经成为化学工业的一个优先领域，其中包括分离工艺、新工艺化学、生物催化和结构材料等。涉及的
科学技术领域有材料技术，包括：材料性能预测；材料结构的精细操作（分子自组装、净形状合成、材料催化生物
仿生合成）；材料性能加强（环境稳定性、耐久性、强度、高温材料、现代材料）；分离用材料；聚合物的新添加技
术（无毒、高温、提高功能性）。还涉及加工科学和工程技术，包括：高性能材料的制造工艺；新型反应器设计。
化学测量技术：高敏感度精密分子水平表征（纳米痕迹分析、时间分解测量、大分子表征）；完善的实时分析测量
技术。
   （1）研发方向
　　开拓聚合物催化反应新概念：应用于聚合物单体的C1化学、乙烯（和极性功能团）单体和替代工艺的新材料
等方面的催化技术有待开发，新型聚合物开发和现有聚合物的优化与改进方面需着重改进催化剂设计和预见性，弄
清结构和活性关系。采用新型催化剂将廉价单体制备成新材料。改变聚合反应中过渡金属催化剂依靠实验提高改进
技术的途径，开发可预见的技术（计算机建模），合理进行催化剂设计，将组合化学应用于该领域。
　　研究聚合物与性能的关系：关键是开发预测聚合物生命周期和降解时期的技术（或建立模型）。
　　胶体/界面科学：延伸应用胶体科学中的新概念应用于聚合物，延伸陶瓷科学概念应用于聚合物，创制新型纳
米多孔、纳米结构、未知表面活性剂基础知识和薄膜粘接知识。了解添加剂表面化学和界面反应。
　　继续开发非军用复合材料技术： 改变冷战时期由军用带动民用开发复合材料的途径，开发运输基础设施、加
工、结构粘接剂和建筑方面的应用，重视加工、结构应用中的粘接，聚合物和其他多种材料间界面反应中的复合材
料表征问题。
　　继续开发新型材料：较为重要的领域有自由基聚合反应，有机/无机复合材料和新型单体，此外，聚合物在电
子和光电市场上将有广阔发展前景。
   （2）2020年目标
　　能源和加工效率：通过开发环境友好型聚合物和聚合物复合材料，替代能源密集型材料（如玻璃、纸、金属等），
达到节约能源20%；采用廉价、节能、环境友好的新工艺生产通用聚合物；实现制造中的聚合物综合设计和加工；
开发替代能源的关键材料技术（质子交换膜电池、燃料电池等），达到降低燃料应用25%。
　　经济：保持美国化学工业居世界领先地位。采用美国技术生产的新材料要占美国总收入的10%，用聚合物基材
料取代常用结构材料，非石油基（C1化学、生物质、矿物、无机物）新型聚合物所占比例要达到10%，开拓聚合物
新市场。
　　研发效率：扩展定量的结构与活性关系，推动聚合物设计，未来20年内保持研发效率和效益，降低开发周期
和投资需要，推动新材料进入市场。
    2.材料表征
   （1）研发方向
　　新型组织技术、结构技术及界面动力学对高新材料表征是十分重要的，需要优先解决成像（三维、化学信息成
像、机械成像）和高输出生成数据库等技术。开发在线、spatially解象和非接触测量技术对于材料加工和新材料
开发都很重要。材料内的精细控制元件可能改变材料的性质，要解决制造问题。
   （2）2020年目标
　　实现在线、连续式实时监测；测试速度提高1个数量级；提高非专业人员分析速度；聚合物结构和组成中微量
变化的精细分析；光谱技术小型化；材料长期老化和可靠性（加速老化）分析。
    3.材料建模和预测
   （1）研发方向
　　近期需开发纳米范围的准确方法，在长期框架内需要优先解决界面多学科、协调理论，建模和实验研究工作，
包括胶体科学和界面科学、生物材料和生物技术、添加剂及表面化学和催化4个方面的更佳建模工具。建模理论中
改进桥接（bridging）技术是关键，包括对重正化（renormalization group）、勘测和反勘测、联接长度和时间跨
度等的研究。要开发非平衡网络建模的更佳理论和方法，提高对聚合物老化的生命周期的预测，要将开发材料科学
的基础理论作为短期内目标。
   （2）2020年目标
　　美国所有公司应从研发阶段就开始应用建模技术：大型公司在2010年要有30名建模工作者，小型公司到2020
年有2名；2020年缩短开发周期50%；理论、计算和实验可以完全集成，一半以上的科学家和工程师要接受计算机
材料科学教育，2005年将商业知识集成到建模和预测工作中；模型能用于超越实验和理论限制的开拓；对已知配
方和加工条件进行材料性能预测，达到主要加工工艺的50%；模型是完全集成型的，能够产生详细的加工工程模型
（CFD）：2010年类似理想气体工艺，2020年为单相液体或固态系统。
    4.添加剂
   （1）研发方向
　　预测和建模：开发多种尺度范围添加剂的计算机方法，并将其用于聚合物。
　　界面方法和应用于添加剂的基础知识：了解添加剂表面化学与界面之间的相互作用和联系。
　　纳米粒子：作为高表面积填料可以提高聚合物性能，同时，纳米无机粒子可以开发制备新型材料。
   （2）2020年目标
　　设计和创制有重要功能的添加剂，满足2020年需求；扩大聚合物应用范围；提高性价比；确保聚合物寿命与
其他材料相当；创造高性能功能材料。
    5.拆卸、回收和循环利用
   （1）研发方向
　　原材料的收集：开发有效的分类技术，制定优惠办法鼓励最终用户向回收部门输送材料。
　　由聚合物衍生单体和中间体：开发混合聚合物分离纯单体技术及低温低压下解聚技术。
　　聚合物混合体系及聚合物改性化学：采用化学方法提高聚合物、合成材料和生物基材料的性能，开发功能聚合
物，促进回收的可能性。优先研究兼容性化学和加工工艺，开发聚合物中污染物的去除及性能恢复工艺。
　　高收率分离工艺：开发相同密度聚合物的分离技术和工艺、聚合物碎片分类和分离方法，包括碎片中聚合物的
快速鉴别方法。
   （2）2020年目标
    产业方面：美国化学工业在回收方面是世界领先的，所有材料及产品都要设计回收，汽车要全部进行拆卸和回
收，聚合物的主要成分要用可再生资源生产，从而提高环境质量并增加就业机会。
    技术开发方面：最大可能地在原始应用中使用可再生的聚合物，使回收聚合物成为新材料的原料，有效区分有
用材料和纯材料组分，建立回收聚合物标准确定中心，制定标准，合理利用市场。
    市场开发方面：回收循环再用聚合物，使市场更具经济竞争性，使回收公司能分散建立并盈利；聚合物要被公
众和环境主义者认为是可选材料；将回收和再利用的内容纳入化学工程教育课程，美国化学工业应采用国际性社会
和环境费用的会计原则。
    能源方面：聚合物用作燃料应当是有效燃烧，低排放；聚合物气化要低排放；主要应用部门应回收旧聚合物。
　　二、关于材料科学和技术发展中的纳米材料问题
　　纳米尺寸材料（nanoscale materials）的优异性打开了材料科学技术及应用的新领域，纳米材料的功能性和
市场潜势开辟了未来化学工业发展的机遇，近年来，美、欧、日以及一些发展中国家和地区都在纳米科学和技术以
及纳米材料开发利用方面投入巨大人力物力，并已取得显著成绩，市场上也出现了多种纳米材料产品，并且都把纳
米材料作为化学工业2020～2025年长远发展规划中的一个战略核心内容，尽管纳米材料的应用取得令人瞩目的进
展，但纳米科学和技术的许多基础知识仍须进一步探索。
　　纳米材料的特殊性质与其结构形式和大小尺寸密切相关。如表面积/体积比高，就可使催化活性提高，有限的
原子或分子间的协同现象将优越于其整体性能，在纳米级结构中呈现量子区域效应（quantum confinement effect）。
当前化学和物理学对单个原子和分子理解较好，对其行为亦可预测，但仍难以预测这类材料的性质和行为。又如生
物系统具有很大利用潜势，但由于人们对纳米尺度上的生物学了解不够，难以提高生物合成速率，达到用生物学原
理进行制造的水平。
　　按照美国2020年设想，当前纳米材料分为3个系列：
    1. 纳米“结构单元产品”（building blocks）：指尺寸小于100nm的原子或分子组合，基础组合的正常单元结
构或复杂单元结构的尺寸应在纳米级范围之内，此类产品已经生产并应用。见表1。

                           表1  纳米结构单元产品生产及应用情况
    基础产品                    合成方法                 事      例
    金属和陶瓷纳米粉    胶体和乳液化学       用作制高级有序结构产品，自我装饰
    碳纳米管        溶胶           传感换能器
    碳纳米球        拉伸层增长       荧光标识
    纳米丝            机械磨损       紫外激光腔
    量子点            气相凝聚       光电能用半导体，软电极
    树型聚合物        模型法           —
    蛋白质和结构聚合物丝    溶液相模板法       —

    2. 分散体（dispersions）：三维的固态或液态骨架与整齐的分散形纳米材料相结合，当前已有液相、固相或
凝胶相分散体。见表2。

            表2  分散体产品生产及应用情况
    基础产品             分散方法                      事      例
    纳米级炭黑      高能磨碎，高剪力混合               增强汽车用轮胎
    纳米陶土      超声波振动匀化（Sonication）       分散于聚丙烯中制造高强度复合材料
    纳米金属氧化物      挤出法                   TiO2用于太阳镜，场致改性液体性质
            
    3. 有序纳米结构材料（ordered nanostructures）：通过有序方法使纳米材料和由结构单元纳米材料制备的系
列进行精密取位（placement）而制得的空间纳米尺寸物体。见表3。

             表3  有序纳米结构材料生产及应用情况
    基础产品           排列方法                         事      例
    粒子        平板印刷——质子、电子、源      相分离块状共聚体
    系列/层        雕、接触印刷、浸笔法        胶体结晶体
    大分子        自我装配            分层或多层结构
    网络        外部场                纳米多孔膜
            模板                净型形成陶瓷
            分子识别            高密度记忆体（>10G Bit/cm2）
    装配品        直接自我装配            成列或周期性二维和三维系列

　　可以看出，纳米材料所取得的进展与其所显示的潜势相比，只能说是刚刚起步。因此美国在发展设想中对纳米
材料是从基础知识理论到功能开发和应用进行全程研究开发，即：①通过广泛的开拓研究发展新型纳米结构、纳米
粒子和纳米材料；②测定纳米材料性能（化学的、物理的、生物学的）；③确定有价值应用可能；④工业应用可靠
性评估；⑤纳米材料进入市场。
　　为此要实施路线图战略，开发根据设计创制纳米材料的能力：通过对基础理论的系统理解，对相关结构进行知
识模型和模拟，建立多因素探测、实时分析表征手段，开发纳米材料制造和放大的廉价方法。从最终用户现有需要、
问题和面临的挑战出发；①根据需要确定精确的性能，生产和放大纳米基材料；②基于设计的纳米材料，生产各种
产品并迅速投放市场。
　　要实现此战略，实施技术路线图是核心，按照设计制造纳米材料的路线图应从基础理论到功能开发，分为基础
知识和合成、制造和加工、建模和模拟及表征工具四部分，其中，需优先研究的课题有：
    1. 基础知识和合成：对纳米结构-性能-加工之间相互关系的理解；纳米物理和化学的实验证实可靠的模型和
理论；创制纳米基础单元产品的新模式；控制纳米复合材料、空间结构纳米材料的装配战略设计；确定结构与性能
关系的高效率筛选方法；实验室范围的性能评价；合成和装配纳米材料的方法纲要。
    2. 制造和加工：单元操作及有效的放大缩小方法；纵向装配的制造技术；保持功能性分散和表面改性方法；
工艺过程监测和一致性控制；集成工程材料于元件，保持纳米性能；从原材料前驱物中除去杂质。
    3. 表征工具：实时表征方法和工具；工具开发和应用的基础实施。
    4. 建模和模拟：精确预测基础模型的纳米结构配方；尺寸规模间的衔接模型——从多原子到元部件的自我装
配；支持模型升级提高的基础设施。
    5. 环境、安全和健康：评价人类健康和环境影响危害性；测定纳米材料的暴露程度；制订纳米材料操作处理
原则。
    6. 知识和技术转让：技术转让政策推动工业化；鼓励知识共享的基础设施。
    7. 教育和培训：教育和培训工作人员；扩大公众和产业部门的认识。
    8. 基础设施和可用资源。  
　　三、纳米材料对化学工业发展的经济效益评价及其实现工业化问题
　　鉴于纳米技术显示出来的优势和远景，美国提出国家纳米技术建议方案（NNI），并决定每年投资10亿美元进
行研究开发。Los Alamos国家实验室做了纳米材料在化学工业中的经济效益估价报告。报告指出，纳米技术在多
个领域具有发展潜力，主要有能源转换和储存、医药用品和诊断、催化、分离、高性能材料、涂料、电子和传感器
等。纳米技术在化学工业中呈现出广阔的发展远景，取得了良好的效益，例如：利用纳米技术可以生产7万种以上
产品；用于高技术产业的日常材料；向一些重要产业提供产品，如保健、食品、服装、建筑、能源、交通、电子和
运输等。而且化学工业可通过纳米技术应用得到全面的改进。
　　2007年计划用于纳米材料的费用已经超过10亿美元，2020年将达到350亿美元。
　　据分析，采用纳米技术进行材料设计对化学工业潜在影响主要在于提高能源效率、降低三废和提高竞争力3个
方面，对产量最大的50种化工产品现用生产工艺纳米技术应用可能、应用市场分析，对上述三方面的影响进行调
查，发现最大的市场机遇是能源、运输、建筑和电子，最有潜势的材料是催化剂、涂料和高强度材料，这些材料约
为40亿美元，约占2020年纳米材料市场额的10%。应用纳米材料可以取得以下效益：
   （1）通过控制孔径和颗粒特征，提高催化剂的选择性和活性；
   （2）用纳米级设计制备催化剂，替代贵金属催化剂；
   （3）抗性更好的硬涂料，改进制备和不用镀铬；
   （4）通过控制孔径和膜特征进行膜设计，从气体和液体中除去不需要的分子。
　　这些效益可以体现在以下事例中：
    化学工业：提高催化剂选择性，降低原料和能源消耗；减少贵金属用量；
    石油炼制：改进催化剂可降低烷基化温度，提高汽油收率，减少贵金属用量；
    汽车工业：提高工具和极硬涂料，减少用贵金属催化剂；
    航海业：减少船舶涂料聚集海生物，保护船舶表面；
    制造业：改进工具和极硬涂料；
    天然气工业：除N2和CO2的膜。
　　据估计，在化学工业中初步应用纳米技术可以创造价值100亿～200亿美元/a，节约能源0.5～1.1×1015BTU，
主要用于制造催化剂、涂料和膜。见表4。

            表4  纳米材料应用情况统计       10亿美元/a
         纳米材料应用                  应  用  效  果
     领域      产品          节约成本     节约能源1012BTU/a
    化学品    催化剂          2.5～4.0         200～400
    石油    催化剂          1.0～1.7          80～200
    汽车    催化剂        0.3～1.0            —
    船舶    涂料          1.7～2.7            80
    制造业    涂料          1.7～3.5            —
    天然气    膜              1.0～2.7            —

　　从发展潜势看，催化剂、涂料和膜的推广应用可以取得可观的节约成本效果。如催化剂可节约3.4～7.9×109
美元/a；涂料3.8～6.6×109美元/a；膜1.2～2.8×109美元/a。
　　上述纳米材料的应用也给有关部门带来节约费用的效益，据估算：
　　化学工业：2.4～4.2×109美元/a；
    制 造 业：1.8～3.6×109美元/a；
　　航    海：2.0～2.9×109美元/a；
    天 然 气：1.0～2.7×109美元/a；
　　卡    车：0.4～2.0×109美元/a；     
    汽    车：0.3～1.2×109美元/a；
　　石油炼制：0.5～0.8×109美元/a。
　　总体计划估算纳米材料带来的效益为：
    创造价值100亿～200亿美元/a；节约能源0.5～1.1×1015BTU/a；国民生产总值（GDP）增加300亿～630
亿美元；增加就业岗位 45.5万～97.5万。
　　2005年11月3日在美国化学工程师年会上关于推动纳米技术工业化的报告提出了实现工业化需进行的研发课
题。该报告提出，纳米技术工业化应从纳米科学和纳米技术两方面考虑。
    ● 纳米科学
    合成和装配：开发新模式创制纳米基础产品；开发控制纳米复合材料和结构装配途径。
    表征手段：开发测定和表征纳米材料的分析工具。
    建模和模拟：开发纳米材料加工模型，预测纳米材料的总体性能；从原子到元件自我装配的规模尺寸间的建桥
模型。
    ● 纳米技术
    制造和加工：开发单元操作和放大及缩小的制造方法（合成、分离、纯化、稳定和装配）。
    表征手段：开发实时手段测量和表征纳米材料，特别是在线和过程内测定。
　　纳米科学技术在化学工业中的应用体现在催化剂、涂料、膜、陶瓷和吸着剂等方面，要实现工业化还应加强以
下研发工作：
    基础和合成：首先要解决认识问题，因为这方面成果一时难以应用，产业部门尚不能将它作为重点，从当前需
要看，应着重进行用实验认证理论的工作，如：①气相合成碳纳米管和纳米线：弄清催化剂纳米结构、增长条件和
最终纳米管/线结构的相互关系（开发经实验认证的模型，温度、压力、大气，催化剂结构/组成，表面相互作用），
弄清成核和生长情况，测定催化剂纳米结构；②溶液相合成纳米粒子、纳米线：弄清成核和生长情况，预测最终产
物及其结构，控制组成和掺杂。自我装配工艺，生产块状共聚物，胶态分子团。
    测量和表征：这是工业制造的关键，应当建立纳米管电子性能表征方法和线内颗粒（1～50nm）表征方法（粒
子大小和表面分布），探索萤光作为表征手段和就地监测方法。
    建模和模拟：重点是碳纳米管合成和电子性能，直接自我装配用于平版印刷纳米结构的纳米力学和界面问题以
及纳米材料的热性能。
    制造和加工：研制和分离集成工艺，进行碳纳米管大规模持续生产，提供高纯度低价金属和金属氧化物纳米粒
子和集成制造工艺，将实时表征和工艺控制集成，放大自我装配技术。
　　纳米科学和技术不仅对化学工业可持续发展提供了机遇，为经济部门提供高新产品，同时也为解决全球性的社
会问题提供了条件，但纳米技术的发展目前仍处于方兴未艾阶段，从基础理论到应用开发，从基本产品的制造到工
业化，都有许多工作有待研究和开发。我国纳米科学技术研究起步并不算晚，已取得一些研究成果，但涉及面有限，
工作层次也较低。建议有关单位，特别是化工发展规划和科技政策编制者加强对纳米技术和科学的理解，将纳米材
料作为化学工业的一个生长点，使纳米科学和技术推动化学工业发展，并为其他产业提供新的机遇。根据纳米科学
和技术的特点，需要在提高认识的基础上制定一个发展路线图计划，全面安排有关的基础研究、应用研究和产品开
发及市场开发计划，建立合作协同机制。