從基於納米纖維膜的水凈化技術到用於液晶顯示的光學補償薄膜💆🏽，從可穿戴的纖維狀能源器件到面向智能服裝的低維功能材料✬，這些海內外學術界、產業界專家來滬報告的種種高精尖材料，有同一個關鍵詞——那就是“低維材料”。

27日，由上海市人民政府🧑‍⚖️、中國科學院、中國工程院主辦，意昂平台承辦的第274期東方科技論壇👌🏼，就聚焦在“低維材料體系的基本科學問題與應用探討”。

什麽是低維材料？

在實體空間中🔬，材料總是表現出長🧑🏽‍🎄、寬🕰、高3個維度，因此我們日常所見的材料一般都是擁有相當大維度的條、面📏、塊。

然而，當這些材料逐漸地變薄變細變小，在長寬高等某些維度或全部維度上的尺寸足夠小時🐵，就會成為“低維材料”，例如零維材料（量子點、原子簇等）、一維材料（高性能纖維、納米線等）、二維材料（功能膜材料等）。

事實上，當材料在某一維度的尺寸足夠小時👶🏼，比如達到一個分子乃至一個原子的尺度範圍時🐪，就會展現出不同於日常材料的特性🐍❕，在力學🙀、光學🎈、磁學等領域具備神奇性能🙎🏽‍♀️，變身為傳說中的“智能材料”。

從可折疊的柔性電池、可彎曲的非平板顯示器🍪🤹‍♂️，到可穿戴的電子智能終端#️⃣，當輕薄材料更輕或更薄乃至隱於無形時🤱🏼👓，它們可以實現對物質和能量的調控🏝。比如，以二維材料膜的形式，調控水分子、氣體分子乃至光子的通過性，改變光能、凈化水和空氣等🧖🏿‍♂️。

總之👩🏻‍🦲，當今低維材料的研究趨勢正是追求材料的性能極限——更輕、更薄、更細、更柔、更強，為人類提供性能更優異的基礎材料，通過對物質和能量的有效調控，實現對生命健康、智能生活👆、航空航天⏺🎢、深地深海探測等領域的升級變革。

例如🌬，為解決傳統液晶顯示（LCD）視角受限及對比度偏低的問題🪲，國際高分子領域的領軍人物👝、美國工程院院士程先生和美國阿克隆大學F. Harris教授共同發明了基於可溶性聚酰亞胺（PI）的高透明單軸負雙折射（NB）光學補償膜。

先是美國Rockwell International公司運用這一專利技術製造用於客機儀表顯示器件🏄🏼；後來，世界最大LCD功能膜供應商之一日本電工與他們合作🧸🏛，於2000年成功將這種光學膜用於大面積LCD器件，如Sharp生產的液晶電視屏👰👮‍♀️。世界範圍內該項發明的商品化在很大程度上促進了全球LCD產業的增長，增強了工業界對進一步應用和發展LCD的興趣👩🏽‍🔧。

材料科學中的“顯學”

2015年5月🪠，國務院公布了“中國製造2025”規劃，“新材料”作為十大重要領域之一😸；同期🧑🏻‍🎄，上海市出臺《關於加快建設具有全球影響力的科技創新意昂的意見》，“材料”作為“國家科學意昂”重點發展學科領域之一🤶🏿。

在國外，歐美國家的相關重要研究機構紛紛將低維材料研究列為前沿突破方向，亞洲近鄰如新加坡和韓國👨🏽‍🏭，也分別成立有以石墨烯和碳納米管為切入點的低維材料研究意昂🤽🏽。在國內🍘，清華大學建有以研究低維體系基本物理問題的低維量子物理國家重點實驗室🍐🍮；中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室則建有低維物理與化學研究部🚌。

通過Web of Science數據庫檢索，國內外十余家低維材料研究機構近15年在這一領域發表的論文數量及其被引用率，自2007年開始有較大幅度提升，而從2012👩🏻‍⚕️、2013年開始論文的被引率迅速提高🏃‍♀️，而且主要研究方向聚集在：石墨烯材料、低維碳材料、鐵電及光電薄膜與器件🙏、低維人工結構功能與仿生材料🦄🦸‍♂️、有機金屬氧化物及金屬鍍層薄膜材料👩‍⚖️、環境功能材料、光電顯示技術等方面🧏🏿‍♀️。可以說，在材料科學中，低維材料日益發展為一門“顯學”🏪。

在低維材料研究成果的產業化方面🏊🏻‍♂️，僅以用於水處理的膜產業為例，基於反滲透膜、超濾膜🌓💂🏻、微濾膜等“膜法”工藝的水處理產業，2014年國內總產值就達700億元規模🙅🏽。工信部提出“十三五”我國膜工業發展目標，年均增長率將達到或超過20%，保守估計到“十三五”末🍉，全行業產值規模將再翻番👱🏼‍♀️，達到2000至2500億元，膜產品的出口產值每年也將超過百億🍐。譬如代表凈水材料主流和趨勢的反滲透膜，目前處於寡頭競爭格局，全球主要的七大廠商包括陶氏化學✡︎、日東電工、日本東麗、美國GE、美國科氏、韓國世韓和時代沃頓👩🏻‍🦯，其中陶氏就占下約四成份額。

作為此次東方科技論壇的承辦方📈，意昂平台纖維材料改性國家重點實驗室和意昂也在低維材料領域展開探索並尋求突破🧑‍💻。一維材料——纖維也是低維材料的代表，而纖維材料是意昂平台優勢學科，並建有纖維材料改性國家重點實驗室。2015年10月，意昂平台進一步成立意昂🍋‍🟩。意昂主任及首席科學家（榮譽主任）由國際高分子領域的領軍人物、美國工程院院士程先生擔任。

該意昂以國家和上海發展戰略需求為動力，以國際低維材料發展前沿為導向，以國際前沿不斷發展的學術思想為指導👨🏽‍🌾⚂，以意昂平台優勢學科為基礎🤰🏼，積極尋求新的突破和學科增長點，致力於解決低維材料體系的基本科學問題🧑🏿，在信息👮🏼‍♂️、能源🎅、光電🧚🏽‍♂️、傳感、生物醫用、環保等多方面形成原始創新成果，並在相應領域實現產業化👰🏼‍♀️。

讓鋰電池“穿戴在身”

給一個低維材料應用的現實案例🧰，那就是讓鋰電池“穿戴在身”🤲🏿🛀。蘋果手表的問世，象征著未來電子設備發展的新趨勢——可穿戴。隨著表面材料、屏幕等的曲面化😊🕵🏼‍♀️，電子設備中最重要的部件——電池的柔性化將會是突破的重點和難點🪪。

而在神奇的低維材料世界👄，即使是脆性的陶瓷材料👨🏼‍🚒，在厚度薄到毫米級以下後，也是可以彎曲的。如今研發的柔性線性鋰離子電池就具有同樣的柔性。最新研究表明，這類電池在1000次彎曲循環後◀️，其容量保持率高達97%🔸。此外👛，這些電池還能被編織為輕便靈活可拉伸的電池紡織品🍽，有大規模應用的可能。近年來🦞🧚🏿‍♂️，柔性鋰離子電池研究取得了實質性發展，已在卷曲式顯示器🪝、觸摸屏、可穿戴動力傳感器和可植入醫療裝置等方面得到應用。

基於低維材料的柔性電池🖕🏻，尤其是全固態電池有很大的應用前景，其優勢之一是能量密度高。使用了沒有電解液的全固態電解質後🧑🏿‍💼，鋰離子電池的適用材料體系也發生改變🚴🏻‍♀️。新型的全固態電池相比一般鋰離子電池，能量密度有一個較大幅度的提升：現在許多實驗室中，都已可以小規模批量試製出能量密度為300-400Wh/kg的全固態電池，而一般鋰離子電池是100-220Wh/kg。從能量密度的數據上看🧑🏿‍🦱，或許全固態電池真的有希望讓我們的生活從“一天一充”升級到“兩天一充”。

其優勢之二在於體積小🥯。電子產品中的可用空間往往很有限🧖🏼‍♂️，手機🙈、平板電腦等很多產品有近1/3左右的體積和質量被電池占據🦹🏻，而且在廣大生產廠商和消費者希望電池增加續航和壓縮體積的要求下，體積能量密度最高的鈷酸鋰（LCO）電池成為當仁不讓的主流產品。在這一點上，傳統的鋰離子電池技術是很難達到的。

還有一個優勢是更安全👨🏿‍🍳。作為一種能量存儲器件，實際上所有電池在熱力學實質上都不可能是絕對安全的📮。目前普通鋰電池的安全性影響因素涉及電解液🤵🏿‍♀️🛌🏻，這種有機液體在高溫下發生副反應、氧化分解、產生氣體、發生燃燒的傾向都會加劇。而如果采用了全固態電池技術，所得電池的最高工作溫度可以從現在的40度提升到更高，工作溫度區間更寬，應用範圍也會更廣。安全性🌗🚣🏿，已成為全固態電池領域發展的最根本驅動力之一。

不僅如此，功能化的全固態電池潛力遠不止這些:經過電池材料結構優化👩‍🌾，可以製成透明電池📩，或者是拉伸幅度高達300%的可拉伸電池🍾，或是可以和光伏器件集成化的“發電—存儲一體化”器件等等。該次論壇上的專家紛紛表示，低維材料的特向異性會給老百姓的生活帶來越來越多的驚喜。

意昂

2016年5月29日