在刘慈欣的小说《三体》中,高纬度的智子通过高能加速粒子实验的干预,锁死了人类物理学继续发展的可能。
因此,人类文明在三体文明面前,犹如一只微不足道的虫子,即便最顶级的人类科学家,也只是可笑的“火鸡科学家”。
而今,人类文明停滞许久的物理认知,突破束缚的秘密,或许就藏在如火如荼的新材料产业之中。
对于未来而言,任何新材料的发明和应用,都足以重构我们的世界。
不仅所有电子产品更加轻便灵巧,交通能源被颠覆,就连量子超算和可控核聚变都可能实现,世界也将向世人展现更深的奥秘。
什么是新材料?
通常来说,新材料是指具有优异性能和功能的材料,是所有战略性新兴产业的重要支撑,涵盖了高性能结构材料、先进功能材料、生物医用材料、智能制造材料等多个领域,广泛应用于航空航天、电子信息、节能环保、生物医药等行业,是改变人类科技的重要发明。
新材料的分类
人类屏息凝神,静待新材料科学曙光出现。
等待之时,让我们不妨回到长夜之初。
1903年的某日,法国化学家贝内迪克蒂斯做完了实验时,不慎将一支平底烧瓶从三米高的搁架上摔落。
然而瓶子居然没有碎,只是布满了裂纹。
贝内迪克蒂大为惊奇,但因为忙于手中实验,只是给这只烧瓶贴上纸条放在墙角。
不久,贝内迪克蒂斯看到报纸上一则公交车的车祸消息,破碎的车窗玻璃碎片给人员带来更大伤害。
媒体呼吁车辆急需一种碎了也不伤人的车窗玻璃,引发贝内迪克蒂斯关注。
他立即拿出之前摔而未碎的瓶子研究,发现这是一只装过硝化纤维溶液的烧瓶,瓶壁上有一层胶膜,所以没有跌碎。
由此,他深受启发,联想到让胶膜和玻璃“紧密结合”,研制出了一种新型的“夹层玻璃”,这便是今日钢化玻璃等新型玻璃的由来。
此时,二十世纪刚开始混乱序章,科学家还在实验室内寻找各类新材料的秘密。
一战硝烟弥漫时期,英国冶金专家亨利·布雷尔利,受命研究枪筒在射击过一段时间以后因发生“锈斑”而损坏的问题。
认识到熔合后产生的金属对铁锈具有抵抗力后,布雷尔利尝试把铬与钢熔合起来,生产出一种适合于来复枪枪管的合金,而这个18%的铬加上8%的镍的公式制造出的金属不仅熠熠生辉,而且总不会生锈,这便是我们今天人人皆知的“不锈钢”。
同样是在欧洲,1911年春天,58岁的荷兰物理学家昂内斯,在极低温度下测试水银电阻,温度4.2K(-268.95℃)时,电阻消失了,惊喜不已的昂纳斯随后将这种状态称为“超导态”,并由此获得了1913年诺贝尔物理学奖。
人们把这种零电阻现象叫做超导现象,把具有超导性的物质叫做超导材料。
此后十年,物理学家不断更换金属材料,最后止步于1930年的金属铌,超导温度停留在9K(-264℃),室温超导便成为科学界近百年来一个可望不可及的梦。
人们对超导材料的性能还懵懵懂懂时,1920年德国研究人员罗森海因在对锌铝铜合金进行研究时,发现这种合金与一般金属不同,经过冷轧后,具有暂时的很高的塑性,从此揭开了超塑性合金面纱,后来广泛应用于航天设备、卫星通讯器件等高科技领域。
更神奇的是,1963年,美国海军军械实验室冶金师布勒经过对自己多年研究的总结,他发现不论把镍钛合金丝拉得多么直,只要达到一定温度时便会恢复原形,从而发明了一种新型合金材质,这便是如今医药、能源和自动化领域最有名的“记忆合金”。
当新材料改变世界的认识越来越普遍,全球科学家都在新材料领域展开竞争,相继又出现了大批改变世界的新材料及工艺。
随着贮氢合金( 氢海绵)、新型尼龙、聚乙炔、金属玻璃、OLED、石墨烯、纳米等如今已被世人熟知和应用的新材料纷纷出现,让人类在科技文明的快车道越跑越远。
人类研究新材料的历程绝非一帆风顺,即便已失望无数次,“新材料”这三个字仍有强大魔力。
那是物理学圣杯,也是历代科学家魔咒,更是贯穿人类未来发展的希望。
有人不禁要问,如此重要的科技,中国在新材料领域究竟做了哪些准备?
众所周知,中国是全球制造业大国。
而且不仅是全世界最大的手机生产国、汽车工业制造大国、白色家电第一制造国,还是全球最主要船舶工业大国。
因此,中国新材料产业在制造业中有着极为重要的推动作用,十多年间更是取得了世人瞩目的成绩。
其中,钢铁、有色金属、稀土金属、水泥、玻璃、化学纤维、先进储能材料、光伏材料特种不锈钢等百余种材料产量达到世界第一位,建成了涵盖金属、高分子、陶瓷等结构与功能材料的研发和生产体系,形成了全球门类最齐全、规模第一的材料产业体系。
如今大到载人航天、探月工程、风力发电、超高压电力输送、深海油气开发以及高铁、大飞机等项目,小到资源节约及环境治理,无不蕴含着新材料产业的巨大贡献。
据统计,我国新材料产业产值从2012年约1万亿元增加到2022年的6.8万亿元,即总规模增长近7倍,年复合增长率超过20%;其在原材料工业产值的占比提升到15%(2012年占比为5%)。
据工信部预计,2025年我国新材料产业产值将达到10万亿元,2020-2025年年均复合增长率(CAGR)达13.5%。
资料来源:头豹研究所,国信证券经济研究所整理
与此同时,在中央政府的顶层设计下,各级根据自身资源,积极推动新材料产业基地建设,逐渐形成了特色鲜明、各具优势的环渤海、长江三角洲、珠江三角洲地区、中西部地区、东北地区五大新材料产业集群,构成了“东部沿海集聚,中西东北部特色发展”的空间布局。
其中,最值得一提的是长江三角洲新材料产业集群。
这里不仅是我国新材料产业基地数量最多的地区,也是新材料产品的重要消费市场,目前已经形成包括航空航天、新能源、电子信息、新型化工等领域的新材料产业集群。
长三角新材料企业主要集中在上海、苏州、无锡等城市,从企业数量分布来看,上海、苏州、杭州、无锡、南京、常州、宁波名列前茅,数量占长三角中心区27个城市的67.3%,空间分布上呈现出沿长江、杭州湾的“Z字型”分布格局。
2018年全国新材料百强企业中,长三角有36家企业入围,其中上海3家、江苏13家、浙江16家、安徽4家;从城市分布来看,南京(4家)、杭州(4家)、嘉兴(4家)、上海(3家)、苏州(3家)、宁波(3家)、无锡(3家),位居长三角乃至全国前列。
资料来源:观研报告网,国信证券经济研究所整理
相关申请专利一直是衡量新材料产业的重要标准,长三角新材料产业集群在先进钢铁材料、先进无机非金属材料、先进石化化工新材料、高性能纤维及制品和复合材料、先进有色金属材料等5个领域授权专利数31655件,专利合作频次3786次,高居行业专利数前列。
推动新材料研发到专利申请,再到产业落地,不可或缺的便是创新推动力。长三角新材料产业集群一样保持着优势。
其中,合肥拥有2个国家实验室、2个国家大科学装置、1个国家重点实验室,上海拥有3个国家大科学装置、9个国家重点实验室,南京、杭州、蚌埠分别有国家重点实验室3家、2家和1家。
新材料的涉及领域广阔,研究更非易事,长三角新材料产业研发集群也同样面临各种问题,更是我国目前新材料领域研发的共性问题。
截至目前,长三角地区在新材料领域的技术突破和产业布局虽取得了一定进展,但依然缺乏具有世界影响力的新材料产业龙头企业,而且企业营收相比世界同行差距明显。
2018年,长三角入围全国新材料百强的36家企业中,企业营业收入在100亿元以上的仅7家,占比不到20%,36家企业营业收入平均仅为26亿元左右。
对比全球新材料巨头,日本的三菱化学分别为1747.0亿元(人民币,后同),美国的陶氏杜邦、3M公司、霍尼韦尔分别达4135.9亿元、2095.1亿元、2766.2亿元。
由于缺乏领军企业,新材料部分领域的核心技术被美国、日本、德国掌控,关键零部件及设备仍大量依赖进口。
资料来源:前瞻产业研究院,国信证券经济研究所整理
这使得长三角新材料集群全球范围内的品牌影响力不够强,大多集中在产业链中低端环节,在国际分工中处于中低端环节。
可以说,在全国新材料领域颇具优势的长三角地区,在全球产业链中也基本处于“吃剩饭”的状态。
同时,长三角新材料产业集群内部创新协同效应仍不明显。
由于近年来各地将新材料当作重点产业发展,纷纷一哄而上,可既没有区域间的协调分工与统筹,也没有后续应用落地的具体方案,导致部分地区出现分散投资、成果转化率低、产业链不完整等产业结构不合理和资源浪费现象。
再从长三角技术转移区域格局来看,大量产业创新资源高度集聚在上海、苏州、杭州、南京、无锡、宁波等大城市,而安徽、浙江南部、苏中地区在长三角新材料技术转移中呈现边缘化特征,这从相互间的专利合作数据便能看出。
近十年来,长三角新材料产业专利合作总次数为3786次,但城市间合作次数仅为1254次,反而是城市内部专利合作占比高达66.88%,充分说明长三角新材料产业跨区域协同水平并不够。
这也意味着长三角新材料创新溢出主要表现在大中城市的“优等生合作”,区域内的中小城市并没有充分获得大城市的创新溢出效应。
更关键的是,长三角新材料集群这些问题并非独有,几乎全国同类型的产业集群都有相同情况和问题。
为此,城市君建议:加快编制长三角新材料产业地图,合理布局长三角新材料产业链条,可在重点打造以上海为龙头的沪苏锡嘉通新材料产业集群同时,加大对苏北(徐州、宿迁、连云港、盐城、淮安)、皖江(合肥、蚌埠、芜湖、铜陵、安庆、马鞍山)等区域的新材料产业扶持,形成差异竞争、协同发展的产业格局。
2021年,首届国际新材料产业大会在安徽省蚌埠市召开
在此基础上,长三角产业集群更需对标全球关键性技术领域,共同组建协同创新中心,合力攻坚关键共性技术,构建需求驱动的新材料产业协同创新体系。
要从国际新材料产业的国际分工和全球产业链的“中低端”找到破圈之路,首先就是支持领军型新材料企业开放配置全球创新资源,实施一批新材料产业前瞻技术创新项目,转化一批重大前沿科技创新成果,鼓励并扶持领军型企业参与国际标准制定,拿回“话语权”。
任何产业发展,资金扶持是必需的。
鉴于新材料产业项目初期投资大、运营回收周期长、投资回报预期收益不明等原因,长三角新材料产业集群内部可设立“创新发展基金”,主要用于新材料创新成果孵化、科技基础研究与应用开发等项目,为区域企业创新和竞争发展提供资金支持。
这点可参考目前的政府基金运作模式,由长三角地区国企、民企、金融机构和功能性平台等各类主体构成,各主体共同出资,设立资金池;并由母基金股权投资管理公司负责运营管理,撬动社会资本投资新材料产业,从而形成更紧密的新材料产业链布局。
禁锢的人类科技,不断被新材料撕开裂缝,透出新世界的曙光。
可惜这道缝隙仍不足以推开通往未来的大门,我们只能耐心等待,期待梦想成真。
正如《三体》中所说:给时光以生命,给岁月以文明。
这或将是地球文明至关重要的节点,也可能是我们将要经历的最重要历史时刻。