主题为“低维材料体系的基本科学问题与应用探索”的东方科技论坛第274期学术研讨会于2016年5月27-28日在上海沪杏科技图书馆举行。本次研讨会由东华大学承办，美国工程院院士程正迪教授、中国科学院院士江明教授以及中国科学院院士颜德岳教授共同担任本次会议的大会执行主席。来自阿克隆大学、美国石溪大学、美国凯斯西储大学、麻省理工大学、上海硅酸盐研究所、中科院化学所、中科院金属研究所、中国科学院上海有机化学研究所、北京大学、浙江大学、复旦大学、上海交通大学、华东师范大学、上海大学、四川大学、吉林大学、厦门大学、青岛科技大学、青岛大学、华东理工大学、杭州师范大学等高校与科研机构的60多位专家学者参加了本次研讨会。
2015年5月，国务院公布了“中国制造2025”规划，新材料作为十大重要领域之一；同时上海市出台了《关于加快建设具有全球影响力的科技创新中心的意见》，材料作为“国家科学中心”重点发展学科领域之一。先进低维材料是当前材料科学研究前沿，将为国家战略、上海科技发展提供新的突破点。低维材料以区别于本体块状材料为特征，以量子点、原子簇、高性能纤维、智能纤维、及柔性功能薄膜为代表。先进低维材料追求材料性能极限，如更细、更薄、更轻、更柔、更强、是生命健康、智能生活、航空航天、深地深海探测等领域的物质基础。
国内外对低维材料的研究机构主要有新加坡国立大学的先进二维材料中心，韩国蔚山国立科学技术大学低维碳材料中心，韩国浦项科学技术大学电子均相低维中心，摩尔多瓦技术大学低维半导体实验室，及国内的清华大学的低维量子物理国家重点实验室，国家科学与技术大学合肥为尺度物质科学国家实验室低维物理与化学研究部等十余家机构。通过Web of Science 数据库检索以上机构近十五年在“低维材料”领域发表论文和论文的被引用率，从2007年开始有较大幅度提升，2012-2013年开始，论文被引用率迅速提高，而且主要研究方向聚集在：石墨烯材料、低维碳材料、铁甲及光电薄膜与器件、低维人工结构功能与仿生材料、有机金属氧化物及金属镀层薄膜材料、环境功能材料、光电显示技术等方向。
结合以上现状，在目前国内外对低维材料的研究中，探索结构和性能可控的新型低维纳米结构材料及其在信息、能源、生物医用等领域中的应用是最重要的研究方向。而在相关的研究中，例如以合成高分子材料为基础的生物医用材料的生物活性受限、柔性光伏材料中究竟为哪种相分离形态、哪种分子的取向能够真正用于性能优化体系、如何使未来的人工生物材料具有更多的“主动性”、“智能性”和“生物活性”以应对复杂的生物体系环境的各种变化等问题都仍然需要科学工作者们的探索与研究。
本次论坛邀请国内外在先进低维材料领域的知名学者、专家和企业代表参加会议，促进国内外学者在低维材料方面的深入交流，加强纤维材料改性国家重点实验室和东华大学先进低维材料方面的深入交流，加强纤维材料改性国家重点实验室和东华大学先进低维材料中心的建设；通过解决零维（量子点、原子簇）、一维（高性能纤维、纳米线等）二维材料（功能膜材料等）基本科学问题、关键技术，研究其在信息、能源、生物医用、智能生活等领域中的应用；深入探讨上海市乃至中国先进低维材料研究发展的规划和路线图，凝练重大科学与技术问题，构建产学研结合、跨学科的科技创新平台，为上海市和国家相关领域科学研究和产业发展的顶层设计提供全局性、前瞻性的科学参考。
一、高分子聚合物二维材料
在实体空间中，材料总是表现出长、宽、高3个维度，因此我们日常所见的材料一般都是拥有相当大维度的条、面、块。然而，当这些材料逐渐地变薄变细变小，在长宽高等某些维度或全部维度上的尺寸足够小时，就会成为“低维材料”，例如零维材料（量子点、原子簇等）、一维材料（高性能纤维、纳米线等）、二维材料（功能膜材料等）。当材料在某一维度的尺寸足够小时，比如达到一个分子乃至一个原子的尺度范围时，就会展现出不同于日常材料的特性，在力学、光学、磁学等领域具备神奇性能，变身为传说中的“智能材料”。高分子聚合物一直是做一维材料（纤维）的青睐对象，但它在二维材料的研究上也释放了极大的光彩。
美国工程院院士、阿克隆大学程正迪教授的主题报告“应用于光学技术的聚合物薄膜”，主要强调设计不同尺寸的大分子来实现特定的光学特性是至关重要的，也是能否成功的关键。并指出为了工业生产的发展，研究学者和企业者紧密合作是很有必要的。化学家、物理学家和工程师应该团结协助设计新的思路、开创新的方法和加工技术。在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等几大主流薄膜基材中，程正迪与美国阿克隆大学F. Harris教授选择了聚酰亚胺（PI）。PI薄膜自身所具有的负性双折射这一光学特性，使其在改善LCD视角、提高对比度方面的应用作用越来越受到人们的重视。他们共同研发出基于可溶性聚酰亚胺的高透明单轴负双折射（NB）光学补偿膜。该类NB薄膜用溶液涂布得到，成膜后无需进行拉伸等后处理，制备工序简化。程正迪领衔研发的NB薄膜通过连续处理的涂布法制得，具有成本低、供给能力强等特点。在研发过程中，程正迪团队不仅系统考察了PI化学结构及分子排列等因素对薄膜性能及加工行为的影响，并致力于将基础研究与应用开发紧密结合，真正实现了研究成果向高科技产业的转化。
纽约州立大学化学院萧守道教授的主题报告“基于纳米纤维膜的水净化技术”，则已经证实不同直径（纳米到微米）的纤维构成的纤维材料的分层组件是膜设计的革命性改变。分层组件的设计是过滤性能的一个重大突破，从微滤到反渗透，通量增大，能量降低。该技术的关键部分是静电纺纳米纤维和用与TEMPO-氧化物相结合的方法从生物质中萃取的羧基纤维素纳米原纤维。我们进一步发现两次简单的化学处理就能生成不同尺寸的羧基化纳米纤维素。这种“绿色”方法能够生成用于水净化的新的纳米结构材料，并且成本低，可持续使用。
陶氏化学fellow、陶氏亚太区首席研究员陈红宇博士的报告“热传导高分子进展”指出，对于小型电子设备、3D打印机和LED灯中的具有高导热系数的高分子复合材料，急需解决复合材料的散热性。高填充量的热量传导薄膜确实可以提高导热系数，但是会降低材料的可加工性，机械性能，并提高成本。陈教授的工作已经证实聚合物基质对复合材料的导热系数有很大的影响，尤其是低填充度的薄膜。在这次报告中，他讨论了通过液晶环氧和能够形成氢键的聚合物共混来提高共混聚合物/聚合物导热系数。
北京大学化学学院陈尔强教授的报告“侧链高分子柱状相的‘多链超分子柱’及其性能初探”指出“多链超分子柱”是一种新的物理交联点，可用于热朔性弹性体、形状记忆材料及“超软”材料等功能材料的设计和制备。他认为将由棒状和扇形基元相连而成的Hemiphasmid型液晶基元引入到侧链高分子中，并通过调节Hemiphasmid型侧链中刚性与柔性部分的体积比可以精确调控超分子柱中的分子链数目。这种“多链超分子柱”形成机制与主/侧链及侧链上不同组成部分的微相分离有关。 “多链超分子柱”中交错排列的侧链以及相互缠绕的主链将导致特殊的松弛行为。
美国Akron Polymer Systems, Inc.公司副总裁、北京大学理学张东博士给出了题为“液晶显示光学薄膜的开发”的报道。随着液晶显示器在各种电子产品中的广泛应用，对其显示质量的要求也越来越高。光学补偿膜能够改变光的偏振性，与特定显示模式的液晶盒配合使用，可以有效的纺织液晶显示器的漏电现象，从而增加显示器的视角，对比度和色彩还原度，大幅度提高图像质量。本报告简单介绍了光学补偿膜的原理、制作方式和应用。重点介绍从材料的性质到结构，再从分子设计的角度出发，开发正负双折射光学补偿膜的两个实例。
二、石墨烯等低维材料在可穿戴设备和服装上的应用
近五年来国内已有研究单位立足低维材料在可穿戴电源方面开展了系列研究并取得了相应成果。如复旦大学和国家纳米中心的研究者们以一维的碳纳米管纤维为基础，设计开发了系列柔性的线状超级电容器和锂电池；浙江大学和东华大学的研究者们以廉价石墨为原料，制备了连续的一维石墨烯纤维，并设计了系列具有高能量密度的线状超级电容器。可以想象，随着研究的深入，低维材料有望作为移动电源中心，给智能服装中的各种传感器、处理器、通信模块、加热元件以及智能手表进行长时间的供电。
中国科学院院士、沈阳材料科学国家（联合）实验室先进碳材料研究部主任成会明院士做的主题报告“石墨烯材料的研发进展与展望”，指出石墨烯完美和高度有序的二维晶体结构使其在射频晶体管、超灵敏传感器、柔性透明导电薄膜、超强和高导复合材料、高性能储能器件等领域具有广阔的应用潜力。各种高质量石墨烯的宏量制备是实现其应用的前提和基础，而如何综合利用石墨烯的优异性能使其应用于不同领域尤为重要。目前，石墨烯材料已在柔性触控屏、光电器件、高性能电池等多个领域中已有应用展示，但其规模应用尚需艰辛努力。此外，不同二维材料还可构建各种异质结构、特异物性和独特应用不断涌现，将进一步推进石墨烯等二维材料的研究与开发向前发展。
国家杰出青年基金获得者、浙江大学高分子系高超教授给出了题为“宏观组装石墨烯材料”的报告。以石墨为原料的石墨烯要推向应用至少需要解决三个关键问题，一是原料，二是组装，三是分散。经过多年摸索，高超教授实验室突破了单层氧化石墨烯的宏量制备技术，实现了连续湿纺组装，获得了石墨烯纤维、薄膜和气凝胶等宏观体。采用拉伸、细旦化、高温热处理、参杂等方式进一步提升宏观材料的性能，逐步向实际应用推进。
中组部青年拔尖人才、国家杰出青年基金获得者、复旦大学高分子科学系彭慧胜教授给出了题为“可穿戴的纤维状能源器件”的报告。重点介绍一类新型纤维状的太阳能电池、锂离子电池和超级电容器。与通常的平面结构相比，纤维状能源器件具有更轻、柔性更好、可集成等优点。这些新型纤维状能源器件可望在多个领域改变人们的生活，如可穿戴设备被认为是下一个全球工业的突破口，但目前相对笨重的功能体系难以满足其质轻、柔性、可集成等综合性能的要求，而新型纤维状能源器件可望解决上述瓶颈问题。
东华大学材料科学与工程学院副院长王宏志教授给出了题为“面向智能服装的低维功能材料”的报告。随着材料的发展，服装朝着高性能和功能化方向发展，便携式、智能化、多功能的电子产品成为科学研究的热点。服装与电子设备结合发挥储能、传感、显示等功能同时保持舒适、安全、耐水洗等特征，这对材料和器件提出了非常高的要求。这次报告主要阐述了智能变色纤维、石墨烯制动的湿热管理、石墨烯热电器件收集人体热量产生电能三方面的研究工作。
三、低维材料加工新工艺、新应用
低维材料的应用可以说是无所不在的，很多领域都有研究者在做研究。比如在柔性电池领域，由于轻薄化和柔性化是可穿戴电子产品的重要发展趋势，作为其核心部件，如何应用低维材料开发出高性能柔性电池，是可穿戴电子产品广泛应用的关键之一；再比如在能源领域，染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池，晶硅太阳能电池……它们内部的每一层都是薄膜结构，组成这些结构的核心材料也都是低维材料。而在提炼单晶硅时需把二氧化硅变成硅，能耗高，如同把“沙子变黄金”，如何实现这些低维材料的低能耗制备就是一个研究方向。又比如在医疗领域，很多医疗的靶向材料，包括一些造影的造影剂也是低维材料制作的。在环保领域，很多研发者想做一种光触媒材料或者说光催化材料，它们本身可能是一些纳米颗粒，可以做成一层膜，对水中的污染物进行降解，这也是低维材料的范畴。
四川大学高分子材料科学与工程学院院长、中国塑料加工协会副理事长傅强教授给出了题为“高分子加工：向自然及金属冶金学习”的报告。高分子加工从自然现象和其他材料行业中获得很好的借鉴，本报告以生物基可生物降解高分子-聚乳酸为例，借鉴金属粉冶金加工的方法，首次提出了通过聚乳酸立构复合物界面烧结低温加工的新方法。该方法避免加工过程中聚乳酸的降解，还获得耐热性好、光学透明度高、耐水解降解性好、综合力学性能优异的聚乳酸工程塑料。
吉林大学化学学院化工与应用化学系陈春海教授给出了题为“特种工程塑料在航空航天中的应用”的报告。随着人们出行对舒适性，安全性等的需求，全球的航空航天得到飞快的发展，同时伴随着我国航空领域的低空开放，更加加快了通用航空领域的发展，在这一需要牵引下，航空领域对材料的需求进一步加大，近几年在各大航空巨头业引领下，特种工程塑料在各个新机型中大量采用，本次报告简单介绍了不同需求条件下应用的不同性能的特种工程塑料。
东华大学材料科学与工程学院院长朱美芳教授给出了题为“有机/无机杂化材料的构筑及其在纤维领域中的应用”的报告。有机/无机杂化材料能够实现有机材料与无机材料在纳米或分子水平上的复合，在发挥各自组分特性的同时，体现出特有的协同效应。聚合物基功能化杂化材料的构筑与应用作为朱美芳教授团队的研究方向之一，同时探索上述材料在功能纤维、智能凝胶、电容器等领域的应用。聚合物杂化功能材料因集结了有机相及无机相的优点，已经成为材料科学和工程技术领域的研究热点，并将在智能器件、安全防护、生物医学、能源等领域将取得非常广泛的应用。
美国凯斯西储大学祝磊教授给出了题为“高温、高能量密度、低损耗多层聚合物薄膜”的报告。高介电常数聚合物材料在效应晶体管、电热板、机电驱动等先进电子元件方面有着巨大的应用。高极化率高介电常数往往使得介电损耗增强。为了理解介电聚合物所有类型的极化和损耗机理，制备介电常数高、损耗低的多层介电材料。本报告主要讨论了聚合物材料结晶度、离子极化、表面极化、高温电子导电率等对介电常数和介电损耗的影响。
四、意见与建议
低维材料是应运而生的新型交叉学科，也是当前材料科学研究前沿。与会专家对低维材料体系的基本科学问题与应用进行的深入的探讨，并指出这一学科如何能在21世纪能够长远发展及该学科如何促进国家相关领域科学研究的发展，并实现其在信息、能源、光电、生物医用、环保方面的产业化，具体意见如下：
1、注重并加强基础知识积累，颜德岳院士指出低维材料发展到了关键时刻，尤其是碳纳米管、石墨烯等这些新材料特殊功能的开发使之具有特殊的优越功能，受到广大青年学者的青睐和关注。而低维材料作为一个交叉学科，它融合了有机、无机、金属、高分子等多个学科，只有拥有雄厚的基础知识积累才能厚积薄发。现如今的科学发展应该重视应用导向，重视基础科学问题研究，任何科学问题的发展都是以基础科学研究为根本的。
2、确定低维材料多功能性、智能性的发展方向。俞建勇院士指出低维材料，如碳材料、无机材料、有机杂化材料等在未来的功能材料领域有着很大的潜力和很好的前景。一维材料是低维材料的显著代表，如何利用好纤维态的材料是一个待解决的问题。纤维态材料的构造方式和其他的二维、三维材料不同，如何加强基础材料研究的同时进一步研究其高次结构的构造，这是纤维材料发展很重要的一个方向。
3、寻找科研切入点，程正迪院士指出找科研切入点没有捷径，首先要拓展自己的知识面，多读书，读交叉学科的书，这样在和不同的人交流时才能产生火花；多积累，积累是创新的源泉，平时多交流，注意别人的动向；沉住气，年轻人要有十年磨一剑的意志，静下心来做实验搞研究才会有大的成就。我们是引领世界潮流的一代，应该吸取经验教训，做一些能够留下痕迹的工作。
4、科研成果与产业化相结合，江明院士指出低维材料覆盖面很广，这次会议不仅探讨了很多时髦的先进的材料，很多经典材料在这次会议中也有新生，被赋予了很多新意，旧材料在新的条件下得到新的发展很是吸引人。如何将基础实验结果与工业生产相结合，一直是一个难点，但是，一个学科要再21世纪长远发展就必须与应用和工业结合起来。这就要求教育家、科研工作者、学者与企业家共同努力。