爭來爭去，到底誰才是21世紀最有“出息”的材料？

隨著社會的發展、科技的不斷進步，很多有著獨特性能的材料得以發掘，甚至是火得一塌糊涂。我們經常看到，人們尤其是相關從業者在介紹這些材料時，往往會將其冠以“21世紀最有前途的材料”“世紀材料”等稱號，唯恐大家get不到它的重要性。下面我們來盤點這些材料，看看它當不當得起這響亮的名號，如有遺漏，請留言補充。

石墨烯

2004年，Andrew Geim和Konstantin Novoselov等采用機械剝離法從鱗片石墨中剝離出單層石墨烯，宣告了“新材料之王”的問世，并揭示了石墨烯優異的電學性能、出色的力學性能、極高的導熱性等新奇物理性質。

石墨烯是由碳原子緊密堆積而成的二維晶體，是目前已知的最薄也最堅硬的納米材料，具有超薄、超輕、超柔韌、超高強度、超強導電性、優異的導熱和透光性等特性，集透光性好、導熱系數高、電子遷移率高、電阻率低、機械強度高等多種優異性能于一身，在電子學、光學、磁學、生物醫學、催化、儲能和傳感器等諸多領域有著廣闊而巨大的應用潛能，是主導未來高科技競爭的超級材料。

第一次從鱗片石墨中剝離出單層石墨烯的科學家Andrew Geim說過：“石墨烯導電導熱率高，化學結構又十分穩定，是一種很理想用于導熱散熱的新型材料”。

碳纖維

威海光威碳纖維

是新材料領域的另一王者。碳纖維是將有機纖維在非活性氣體中進行高溫碳化，分離掉碳以外的元素后所得的纖維體材料，素有工業界“黑色黃金”美譽，它的強度是鋼鐵的5到8倍，但重量只有鋼鐵的1/4，具有高強、輕質、耐高溫、耐腐蝕的特點，是減重增強的首選材料，被當作國民經濟和國防安全的戰略物資。

碳納米管

1991 年碳納米管發現以來，一直是一個焦點，吸引了很多科學工作者在碳納米管的導熱性方面進行研究。碳納米管由單層或多層石墨片卷曲而成，分為單壁、雙壁和多壁三種類型。

圖片來源：Pixabay

碳納米管具有可以自由進入細胞的極小尺寸，其獨特的結構，使其具備了超強的力學性能、極高的載流子遷移率、可調節的帶隙、優異的熱學性能、光電特性、穩定的化學特性等。碳納米管集各種優異性質于一身，使其在工程材料、電子器件、儲能領域、光探測器、生物醫藥等方面具備了廣闊前景，在以上應用領域具有很大優勢。在電影《三體》中，‘納米飛刃’削切硬物于無形便體現了碳納米管一個重要特性——輕質高強。

金剛石

金剛石是目前已知的在自然界中存在的最堅硬的物質，莫氏硬度達到10，在材料加工領域堪稱無敵。金剛石也是自然界中導熱系數最高的物質之一，導熱系數高達200～2200W/(m·K)。

圖片來源：元素六

同時，金剛石是超寬禁帶半導體，其禁帶寬度為5.5eV，具有高電子遷移率（4500cm2/Vs）、高電子飽和速度（2×107cm/s）、高擊穿場強（107V/cm）和高熱導率（2000W/m·K）等特點，其功率器件的JOHNSON'S優值為寬禁帶半導體SiC的10倍。隨著SiC和GaN功率電子學進入發展成熟階段，新的需求又在推動下一代功率電子學的發展，金剛石被認為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料，被業界譽為“終極半導體”。

碳化硅

碳化硅單晶襯底

碳化硅作為目前發展最成熟的第三代半導體材料，近些年大火特火。尤其是在“雙碳”戰略背景下，碳化硅被深度綁定新能源汽車、光伏、儲能等節能減碳行業，萬眾矚目。因此，有人稱其是一種“正在離地起飛的半導體材料。”

先進陶瓷

先進陶瓷，又稱新型陶瓷、特種陶瓷、精細陶瓷、高技術陶瓷等，它和金屬材料、高分子材料并稱為“三大固體材料”。從材料來講，先進陶瓷家族龐大，雖不單指某一個具體的材料，但各種先進陶瓷材料幾乎都具有優異的力學、聲、光、熱、電、生物等特性，從而在航空航天、電子信息、生物醫藥、高端裝備制造等高端科技領域隨處可見。

另外，雖然早在20世紀初人們便嘗試用陶瓷來做汽車發動機的火花塞，至今已被研究應用百年，算起來并不算“新”了，但是其應用潛力仍在不斷被挖掘，如從早期的傳統機械部件，到如今的新能源汽車部件以及半導體設備用陶瓷零部件，先進陶瓷的潛力有多大仍未可知。

超導材料

低溫超導體現象過程展示，圖片來源：羅切斯特大學

超導材料是在特定溫度下，電阻消失的材料。近年來，超導材料所具有的零電阻、完全抗磁性和隧道效應三個特性，使之在全世界廣受關注。其最廣為人知的用途是用在電力網上，由于無電阻，電力網中損耗為零，將可以節省10%—20%因輸送而造成的電力損耗。

氣凝膠

氣凝膠材料是一種納米多孔網絡結構的輕質固體材料，這種被稱為"固態煙霧"的材料，99.8%都是空氣，具有孔隙率高、比表面積大、密度超低、熱導系數低等特質，總結起來就是超輕、超強、超級絕熱，故其用途非常廣泛，在催化、保溫隔熱等領域被稱為神奇材料。

液態金屬

圖片來源：中宣液態

液態金屬是一系列熔點低于或接近室溫的金屬或金屬合金材料的統稱，它在室溫或較低的加熱溫度下呈現出一種可流動、不定型的液體狀態。常見的液態金屬有銣(Rb)、銫(Cs)、鈁(Fr)、汞(Hg)和鎵(Ga)等。液態金屬具有優異的導電和導熱性能，在目前已知液體材料中，液態金屬的電導率和熱導率均為最高，其也是一類集金屬與流體特性于一體的多功能材料。

金屬有機框架（MOF）材料

近年來，金屬有機框架(metalorganic framework，MOF)材料作為一類新興的晶態多孔材料脫穎而出，受到廣泛的關注。相較于沸石和活性炭等傳統多孔材料，MOF材料是由金屬離子或簇與有機配體通過配位鍵自組裝而成的晶態多孔材料。這種獨特的構建方式使其結構高度有序且易于剪裁，進而展現出豐富多樣的性質和功能。

北京時間10月8日，奧馬爾·亞吉、北川進、理查德·羅布森三位科學家因在金屬有機框架材料的開發方面作出的貢獻而榮獲2025年諾貝爾化學獎。三位科學家分別從結構設計、穩定性提升、功能拓展等角度推動了MOFs的發展，使其在氣體吸附與分離、水收集、環境治理、催化反應等領域展現出巨大應用潛力。一些科學家認為，MOF潛力巨大，有望成為“21世紀的材料”。

輕型合金

眾擎機器人T800，機身材料選用高強度鋁鎂合金

鈦合金具有高強度、延展性好、耐腐蝕、無磁性等優越性能，除鈦合金之外，輕型合金還主要包括鋁合金和鎂合金。鋁合金使用較早，如今普及程度也較高，在汽車、輪船等領域經常出現。而鎂合金是實用金屬當中質量最輕的，是汽車實現輕量化最重要的新材料之一。

聚醚醚酮（PEEK）

PEEK產品，圖片來源：中研股份

聚醚醚酮，英文名為Poly(ether etherketone)，簡稱PEEK，是一種線性半結晶熱塑性特種工程塑料。其主鏈是由羰基、醚鍵、苯環所組成的，屬于全芳香結構，具有優異的機械性能、熱穩定性、化學穩定性，是聚芳醚酮特種工程塑料中最為重要、應用最為廣泛的一種，其問世以來，就被視為一種重要的國防軍工材料。

薄膜鈮酸鋰

鈮酸鋰(LiNbO3)是鈮、鋰、氧的化合物，是一種自發極化大(室溫時0.70Cm)的負性晶體。鈮酸鋰是目前發現的居里溫度最高(1210°C)的鐵電體。鈮酸鋰晶體具有光電效應多、性能可調控性強、物理化學性能穩定、光透過范圍寬等特點。

如果說光通信是AI算力的 “高速公路”，那么薄膜鈮酸鋰調制器就是這條公路上的 “超快充站”—— 它直接決定了數據傳輸的速度、效率與穩定性，是連接 “AI算力需求” 與 “光通信能力” 的關鍵紐帶。除了光通信與AI算力，薄膜鈮酸鋰還在激光雷達、量子通信、超快激光器等領域展現出巨大潛力。

量子材料

如果說半導體是“剛需”，量子材料則是“未來”。它們支撐量子計算、量子通信、量子傳感的發展，代表著信息科技的下一代邏輯。拓撲絕緣體、二維材料（石墨烯、過渡金屬硫化物）被寄予厚望，尤其是在無耗散電流與容錯量子比特上的潛在應用。然而現實是殘酷的：量子材料的商業化距離仍然遙遠，未來十年大概率仍是科研主導階段，只有少數成果能走向原型應用。

4D打印材料

4D打印材料是3D打印技術的延伸，通過特定材料與結構設計，使構件在成型后能隨時間發生可控變化。4D打印材料技術成熟度處于L3-L4階段，預計未來5-10年將在柔性電子和航空航天領域實現突破。當前4D打印材料主要包括形狀記憶材料、水凝膠、液晶彈性體和量子金屬等，按驅動機制可分為溫度驅動、水驅動、電致驅動、光驅動和磁驅動等多種類型。

硼墨烯

硼墨烯是由單層硼原子構成的二維材料，具有方向性導電性、高拉伸強度和金屬特性。硼墨烯的獨特結構使其在電子學和光學領域具有廣泛應用潛力。例如，在電子學領域，硼墨烯用于場效應晶體管和傳感器，提高器件的性能和可靠性；在光學領域，硼墨烯用于光探測器和光調制器，提高器件的靈敏度和響應速度；在能源領域，硼墨烯用于電池電極和超級電容器，提高能量密度和循環壽命；在量子計算領域，硼墨烯用于量子比特和量子電路，提高量子計算的效率和穩定性。

特種石墨

特種石墨作為一種高品質石墨，具有更高的純度、強度和密度，是戰略新興產業不可替代的重要資源之一，廣泛應用于光伏、半導體、新能源電池、冶金、化工、機械、電子等行業。