中国新材料科学普及报告（2022）——走近前沿新材料4

新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，组织了这套前沿科学普及丛书?新材料科普丛书。 本书涵盖了18种新的前沿新材料，涉及量子材料、半导体材料、超导材料、二维材料、磁性材料、超材料、非晶合金等新材料等新材料，主要包括量子材料、锂离子电池材料等。所选内容结合当前Nature、Sciecce的关注热点，既有我国已经取得的一批革命性技术成果，也有前沿材料、优选材料的研究成果，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。

新材料技术正与机器人技术、量子信息技术、扩展现实等新科学工程一起，重塑新工业革命。材料的演变历史也见证了人类社会技术与文明的发展进程：如从第一个晶体管问世，到目前通用人工智能已具备自主意识，能够学习人类的智慧，有望模仿学会人类的行为方式，甚至思维方式。不断涌现的二维材料、类脑芯片等新材料、新技术、新知识、新理论和新概念，正服务于高新技术产业的迅猛发展。
新材料得到了日新月异的蓬勃发展，呈现出材料与器件一体化、结构与功能复合化，以及多学科交叉、多技术融合、绿色低碳和智能化等发展趋势，材料领域新理论、新概念、新知识、新技术层出不穷，新材料产业不断发展壮大，新材料应用技术研究不断深入。然而，社会各界对于新材料的认知速度远远跟不上新材料的发展速度，《中国新材料科学普及报告（2022）——走近前沿新材料4》（以下简称《报告》）系列科普读物旨在提升工程技术人员、科技工作者、政府决策人员、青年学生等群体对新材料的认知，提升研究开发、技术应用以及政府决策过程中对新材料及技术的考量，对促使新材料更快、更好地服务于经济建设和社会发展具有重要的意义。
《报告》是中国材料研究学会在承担中国工程院重大战略咨询项目《关键战略材料研发与产业发展路径研究》所取得的研究成果的基础上完成的出版物，是继2019年《走近前沿新材料1》、2020年《走近前沿新材料2》、2021年《走近前沿新材料3》之后的又一部关于前沿新材料的科普作品。在以中国工程院重大战略咨询项目《关键战略材料研发与产业发展路径研究》成果为基础编写的四本出版物中，《报告》是唯一的科普作品，经过编委们的共同努力，2022年度材料领域新理论、新概念、新知识、新技术以及新探索与发现，将凝练到这本科普读物中。
本书的内容包括拓扑量子材料、荧光材料、超导材料、二维材料、拓扑磁结构材料、新型纳米材料等新材料。金刚石可否揽芯片活，再创钻石般的辉煌？夜月昼星之夜明珠，为什么会发光？走近荧光材料可知晓其中奥秘。山河咆哮、大海吟唱，气泡如何发声成为气泡声波超材料？拓扑量子物理学方兴未艾，更稳定的材料体系未来可期。从神秘到科学的千年之旅，笼目材料可否再续前缘？二维材料类脑器件又是如何创造ChatGPT人类思维的？再看磁麦韧的磁结构如何成就自旋电子学。谁料到氧化镓出生即巅峰？高温高熵软磁合金，非晶演变成的纳米晶？还有非晶合金之金属玻璃。交叉科学涌现了什么活性物质？超导材料为有机半导体掺杂的万水千山？以及双眸探索微观世界。
《报告》各章作者都是活跃在新材料研究、制造、应用领域的优秀科学家、教育家、工程师。感谢各位作者，用思想的火花点亮智慧之光，引领读者进入神奇的新材料世界。
特别感谢参与本书编写的所有作者：
·锂—21世纪能源金属　郑奕伯　王霞
·走近荧光材料　莫尊理　杨丽婷
·气泡声波超材料　黄占东　宋延林
·拓扑量子材料　冯硝　徐勇　何珂　薛其坤
·笼目材料—从神秘到科学的千年之旅　杨天宇　邓翰宾　殷嘉鑫
·二维材料类脑器件　王爽　梁世军　缪峰
·拓扑磁结构材料—从磁作用到下一代计算存储器件　杨洪新　尕永龙　王黎明 于东星等
·氧化镓能改变世界吗　付斌
·高性能软磁合金　王清　王镇华　董闯
·玻璃家族的新成员—金属玻璃　吴　渊　刘雄军　吕昭平
·拓扑绝缘体与反铁磁的美妙邂逅　宋成　白桦　陈贤哲　寇煦丰　潘峰
·活性物质—涌现于交叉科学的新方向　张何朋　施夏清　杨明成
·超导材料　罗会仟
·碳点—新型纳米材料　屠焓钰　李硕　邹国强　侯红帅　纪效波
·有机半导体掺杂的万水千山　张天恺　王锋　高峰
·3D打印碳化硅陶瓷材料　殷杰　黄政仁
·金刚石能揽芯片活吗　付斌
·量能器—探索微观世界的眼睛　刘勇　吕军光　苑超辰　张华桥
新材料是现代高新技术、新兴产业的基础和先导，新材料是人类文明的基石，希望通过本书的传播，更好地构筑我国新材料领域的基础，为今后几十年我国材料领域的发展贡献一份力量。希望《中国新材料科学普及报告（2022）—走近前沿新材料4》能为广大读者提供有益的参考。

新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快得到解决，本书甄选部分对我国发展至关重要的新材料进行介绍。书中涵盖了量子材料、荧光材料、超导材料、二维材料、拓扑磁结构材料、新型纳米材料等前沿新材料。全书所选内容既有我国已经取得的一批革命性技术成果，也有国际前沿材料、先进材料的研究成果，以期推动我国材料研究和产业快速发展。
书中对每一种材料都深入浅出地阐释了源起、范畴、定义和应用领域，全彩印刷，图文并茂，可为广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料提供参考。

第1章 锂——21世纪能源金属  001
1.1　锂的主要应用领域	002
1.2　锂的应用中存在的问题	007
1.3　应对措施与思考	008

第2章 走近荧光材料  012
2.1　荧光材料的发光机制	013
2.2　荧光材料的分类及应用	017

第3章 气泡声波超材料  034
3.1　气泡在“发声”	035
3.2　孜孜不倦地探索	038
3.3　“桀骜不驯”的气泡	039
3.4　固体微结构——气泡的“驯化师”	041
3.5　神奇的气泡声波超材料	044

第4章 拓扑量子材料  052
4.1　物理和数学上的拓扑概念	053
4.2　拓扑材料体系	054
4.3　磁性拓扑材料体系	057
4.4　拓扑超导体	059

第5章 笼目材料——从神秘到科学的千年之旅  062
5.1　法力无穷的六芒星	063
5.2　笼目材料	063
5.3　量子新星	067

第6章 二维材料类脑器件  072
6.1　类脑计算	073
6.2　类脑器件的基本构建条件	074
6.3　感算一体器件	076
6.4　存算一体器件	078

第7章 拓扑磁结构材料——从磁作用到下一代计算存储器件  084
7.1　什么是拓扑磁结构材料	085
7.2　拓扑磁结构的来源	087
7.3　拓扑磁结构材料的分类	090
7.4　拓扑磁结构材料的应用	095

第8章 氧化镓能改变世界吗  101
8.1　出生即巅峰	102
8.2　制备是问题	104

第9章 高性能软磁合金  111
9.1　高性能软磁合金的源起	112
9.2　传统软磁合金	113
9.3　非晶/纳米晶软磁合金	114
9.4　高熵软磁合金	116
9.5　矫顽力的影响因素及微观机制	117

第10章 玻璃家族的新成员——金属玻璃  120
10.1　金属玻璃的发现和发展	121
10.2　金属玻璃独特的性能特点	122
10.3　金属玻璃独特的结构特点	124
10.4　金属玻璃丰富的动力学弛豫行为	125
10.5　金属玻璃局域化的变形机制特点	127
10.6　金属玻璃的室温脆性挑战及韧塑化	128
10.7　金属玻璃的应用前景	131

第11章 拓扑绝缘体与反铁磁的美妙邂逅  134
11.1　拓扑源起	135
11.2　拓扑绝缘体	135

第12章 活性物质——涌现于交叉科学的新方向  139
12.1　大自然中的集体行为	140
12.2　运动学时间可逆性和微尺度活性个体的驱动机制	141
12.3　活性物质的相变	142
12.4　活性物质的热力学	147
12.5　活性物质的拓扑边缘态	150

第13章 超导材料  154
13.1　超导材料的特点	155
13.2　“高温”到底有多高	157
13.3　超导材料的制备	158
13.4　超导材料的机理研究	159

第14章 碳点——新型纳米材料  162
14.1　碳点的发展过程	163
14.2　碳点的基本概念	163
14.3　碳点的制备方法	164
14.4　碳点的性质应用	167

第15章 有机半导体掺杂的万水千山  171
15.1　有机半导体之路	173
15.2　光电有机半导体工程	175
15.3　刨根问底	177
15.4　离子调制自由基掺杂之普适方法	180

第16章 3D打印碳化硅陶瓷材料  183
16.1　陶瓷制备	184
16.2　3D打印陶瓷	187
16.3　3D打印陶瓷未来发展趋势	191

第17章 金刚石能揽芯片活吗  193
17.1　与硅同族的“高才生”	194
17.2　金刚石是材料革命的第四代选手	195
17.3　不是每种金刚石都能造芯	196
17.4　能力很强但为何鲜见应用	199
17.5　进入产业链的倒计时	200

第18章 量能器——探索微观世界的眼睛  205
18.1　量能器测量什么	206
18.2　量能器技术的运用	209
18.3　硅传感器	210