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| 组合材料芯片技术 |
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2008年06月18日
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人类使用材料的历史已经历了7个时代：石器时代、青铜器时代、铁器时代、蒸汽时代、电气时代、信息时代。从这个意义上讲，人们使用材料的能力逐步提高是人类社会发展的标志。目前，世界上传统材料已有几十万种，新品种正在以每年大约5％的速度增长；世界上现有800多万种人工合成的化合物，而且还以每年25万种的速度增长。然而，材料数据库快速扩充的背后是人们在人力、物力、财力上成百倍的高额投入，这是因为材料研究的常用手段基本上延续了古代的炼丹术——将不同的原料按比例混合、烧结。采用这种传统方法，效率低、消耗高、重复性劳动多，新材料的研究周期通常为几年甚至十几年，新材料的发现具有很大的偶然性。在日新月异的信息时代，这种“炒菜”式探索新材料方法已难以跟上时代的要求。
科研人员需要一种简单、快速地发现那些有用材料的新方法，发现和优化新材料的集成组合方法正是在这样的背景下应运而生。上世纪六十年代，Kennedy和Hanak等人最早提出了“同时合成和表征多个样品”的设想；在之后的二十几年里，组合方法在某些领域得到实施；1995年，项晓东和
P.Schultz博士提出了新材料合成和优化的集成材料芯片方法，其核心思想在于快速合成、处理和检测大量不同成份、不同掺杂和不同条件处理的样品阵列，从中发现并优化有应用价值或有潜在应用价值的新型功能材料。他们成功地将其用于高温超导材料、磁阻材料、紫外发光材料、介电/铁电材料等的研究，发现了许多性能优异的新型功能材料。国际著名的“科学杂志”曾以该文的照片为封面，并为此发表专题讨论文章，将其评为1998年十大科技进步之一。这项成果获得了美国第七届技术创新发现奖和美国国家专利，同时也受到材料科学、生物、化学等其它学科和工业界的高度重视。此项技术与常规合成技术大不相同：用常规技术生长合金材料一次只可生长一个组分，而材料组合芯片技术可将同一类合金材料成千上万不同组分同时集成生长在一块基片上，并可对合成的芯片进行高通量表征测量，使往往需要花费几年时间的工作在一个星期之内完成。此技术不但具有快速性，还具有很强的系统性。其原因在于所有的不同组分样品都是在同一个生长环境中同一个生长条件下同时合成，因此大大降低了实验的不确定性，大大提高了材料研发的成功率。
组合材料芯片技术已显示出巨大的威力，例如，每个生物化学家的平均月产出从4 个前驱体猛增至3300个，而每个前驱体的平均研究成本则从7500美元下降到12美元；美国的Intematix公司以材料组合生长和测量技术平台为基础，只用两年时间便成功地开发出了一系列专利保护的荧光材料产品，突破了日亚公司的垄断并在同行业取得领先地位。大量案例充分证明了材料组合生长和测量技术平台的重要性和有效性。该技术不仅具有重大科学价值，还具有巨大的商业潜力。
虽然材料组合芯片技术在一些领域取得了成功，作为一种方法学的突破，其应用潜力还远远未被发掘和发挥出来，表征技术的发展不但给材料组合芯片技术提出了新的挑战，也提供了广阔发展的机遇。特别是利用同步辐射高亮度光源进行材料样品表征检测，更是为材料芯片技术的跨越式发展提供了机遇，系统探索复杂材料体系规律，不遗漏地建立材料成分-处理-结构-性能间的关系， 并从“并行合成、高通量表征”两大板块向“材料信息学”智能材料设计等交叉领域渗透。
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