日本发布纳米技术和材料科学技术研发战略草案

       6月,日本文部科学省发布了《纳米技术和材料科学技术研发战略(草案)》[1]。该战略指出,纳米技术和材料科学技术领域可能会出现新的变化,例如利用快速发展的人工智能/物联网/大数据技术的数据驱动型研发方法加速材料开发,纳米技术和材料领域的研发战略将引领未来社会的实现。为实现社会5.0和可持续发展目标(SDGs)等,将创造具有吸引力的特征的材料,以带来社会变革。

  1、基于新突破口提高材料性能

  1)含有相互物理性质的超级复合材料。结合多个不同材料,提高复合材料的性能,以同时实现材料的轻量化、强度和耐热性等的提高。

  2)利用非平衡态和亚稳态结构来大幅提高材料的性能。具有非平衡态和亚稳态结构的物质的数量大大多于稳定结构物质的数量,因此利用非平衡态和亚稳态结构可以大大提高产生新性能的可能性,并能促进产生具有吸引力的性能。此外,数据驱动的材料科学将加速亚稳态结构搜索的进展,有望使材料制造更加活跃。

  3)利用生物机制以实现材料的新性能或显著性能改进。希望促进材料和工艺的发展,将环境适应、自我恢复、检测功能、运动功能、室温反应、复杂物质的生产等生物机制结合到材料中以创造有吸引力的性能。

  2、战略性和可持续发展的研究领域

  1)制定有助于元素和物质的循环以及新性能开发的下一代元素战略。为了有效利用有限资源,开发元素的潜在功能,必须研发基于科学的物质、材料、元素的循环、再利用、再生产、回收。

  2)分子技术。通过自由设计和控制分子,促进分子技术创造新性能,以实现环境、能源、信息、健康和医疗领域的创新,解决社会问题。基于物理学、化学、生物学、数学等科学知识,分子技术通过利用分子的特性进行设计、合成、操作、控制和整合,创造出所需的材料性能。

  3)物联网/人工智能时代的创新设备(包括传感器和驱动器技术)。随着万亿传感器(Trillion sensor)时代的来临,具有高耐久性和环保性的材料,是柔性基板制备技术、能源供应系统更新、节能通信的必需材料,也是开发用于获得化学信息等的传感器和能应对各种情况和环境变化的智能驱动器的重要材料。为实现社会5.0时代的高度网络基础系统,需要推进这些系统中所使用的半导体、微电子机械系统(MEMS/纳电子机械系统(NEMS)、量子科学技术等尖端技术飞跃发展所需的材料革新。

  4)生物材料。创新材料有可能为健康和长寿开辟新的解决方案。实现健康长寿的传感器技术离不开材料技术的发展进步,比如,研发备受关注的监测和记录人体生理信息的可穿戴传感器,必须运用新型的材料来满足长时间、安全、低负荷穿戴的要求。另外,还出现了通过拥有各种功能的纳米机器来突破常规的血液脑屏障的革新性治疗技术。革新性材料和医疗融合的实现,将促进纳米医疗、再生医疗、纳米诊断等先进医疗技术的飞跃式进步。

  5)能源转换、存储、高效利用的创新材料。需要提高与高性能和新功能有关的材料的创造。为实现可持续发展目标,摆脱对稀有元素的依赖,要大力发展能支撑未来可再生能源时代低碳社会的新材料科学技术。此外,探索利用量子现象的新能量转换原理也成为了重要的方向。

  6)能产生创新分离技术的材料。需要创新分离技术的领域包括化学物质、稀有元素、生物材料和药物成分。如果创造出能源成本满足大面积推广的要求并能实现新的分离技术的材料,很多产业就有可能实现革新。创新分离技术的材料包括可选择性地去除废水和海水中含有的杂质、有害物质、病毒等的创新水处理膜,可选择性地分离氧气、二氧化碳甲烷和氢气等未来能源资源主要气体燃料的多孔高分子(PCP)和沸石等多孔材料等。

  7)结构材料。需要开发高性能材料(高强度、高延展性、高可靠性、高耐腐蚀性等)来应对地震、台风等自然灾害以及建筑加固等挑战。此外,提高能源效率已成为重要的全球性问题,需要寻求有助于减轻汽车和飞机等运输设备重量的高强度材料,用于发电厂和喷气发动机的高性能(耐高温、使用寿命长、高可靠性)高温材料。

  8)革新机器人的材料。机器人的市场规模将从2015年的1.6万亿日元增长到2035年的9.7万亿日元,日本的优势材料是决定机器人开发竞争力的关键技术。能根据形状大小和环境变化完成各种动作的执行器,柔软高强度人造皮肤,质轻且强韧的结构材料,各种能检测气味和皮肤表面压力的智能传感器,长时间运转的电池,远程电力供应技术,用于高效利用和提高操作可靠性的润滑材料,以及用于顺畅通信的装置,开发这些领域的创新材料将非常重要。

  9)极端超级测量技术。在创造革新性的材料方面,测量技术是必不可少的。开发纳米技术和材料领域的测量仪器需要尖端技术,需要与材料开发共同推进。需要建立一条通向超高水平、超高性能的集成了传感、测量技术和系统的道路,实现可随时随地在现场使用的测量设备。

  (黄龙光 惠仲阳)

 

  


 

[1] ナノテクノロジー材料科学技術研究開発戦略(素案). http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu2/015-8/shiryo/__icsFiles/afieldfile/2018/07/24/1407207_3.pdf

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