形状类似于蝴蝶！科学家揭晓下一代量子材料的突破性设计理念：磁性纳米石墨烯【附纳米材料技术赛道观察图谱】
瞻观前沿
新加坡国立大学(NUS)的研究人员公布了下一代碳基量子材料的突破性设计理念。他们创造了一种微小的蝴蝶形磁性纳米石墨烯，其中含有高度相关的自旋，展现出量子信息技术进步的巨大潜力。
磁性纳米石墨烯是一种由石墨烯分子构成的微小结构，由于碳原子π轨道中特定电子的行为而表现出显著的磁性。与使用重金属生产的传统磁性材料不同，后者涉及来自d轨道或f轨道的不同类型的电子，而碳的π电子起着独特的作用。通过精确设计这些碳原子在纳米尺度上的排列，可以控制这些独特电子的行为。
由新加坡国立大学化学系和功能智能材料研究所副教授陆炯领导的研究团队，与新加坡国立大学化学系教授吴吉山以及国际合作者一起，开发出了一种设计和制造大型全融合蝴蝶形磁性纳米石墨烯的方法。这种独特的结构有四个圆角三角形，尺寸约为3纳米，其形状类似于蝴蝶的翅膀，每个翅膀都有一个不成对的π电子，这是观察到的磁性的原因。这一成就归功于纳米结构石墨烯中π电子网络的原子精确设计。
陆副教授表示：“磁性纳米石墨烯是一种由稠合苯环组成的微小分子，由于其化学多功能性和较长的自旋相干时间，有望成为承载迷人量子自旋的下一代量子材料。然而，在这样的系统中创建多个高度纠缠的自旋是一项艰巨但必不可少的任务，对于构建可扩展且复杂的量子网络来说。”
技术价值观察
纳米材料产业链上游为原料供应和设备。设备主要包括粉碎、混合/分散、测试等涉及到纳米材料制备、加工的设备。中游环节为纳米材料的生产制备，包括纳米粉体、纳米薄膜、纳米纤维、纳米块体，还包括以此加工形成的纳米复合粉体、纳米磁性液体、纳米涂层材料、纳米改性纤维及金属/陶瓷/塑料基等纳米复合材料。下游包括在电子信息、新能源、生物医药、建筑化工、服装纺织、节能环保、结构增强等领域的应用。
新加坡国立大学创造出磁性纳米石墨烯，其形状类似于蝴蝶的翅膀，有望成为量子自旋的下一代量子材料。因此，从纳米材料产业链上看，该材料属于产业链的中游环节。
宏观市场观察
——全球纳米材料行业技术周期：处于成长期
2010-2018年，全球纳米材料行业专利申请人数量及专利申请量均呈现增长态势。虽然2019年开始全球纳米材料行业专利申请人数量波动下降，但是专利申请数量仍在上升，2021年有所下降，但这两大指标数量仍较多。整体来看，全球纳米材料技术处于成长期。
——全球纳米材料行业专利申请量及专利授权量
2010-2018年全球纳米材料行业专利申请数量呈现逐年增长态势，2019-2021年全球纳米材料行业专利申请数量波动下降，2021年申请量为29953项。
在专利授权方面，2010-2018年全球纳米材料行业专利授权数量逐年增长，2019年开始出现下降趋势，2021年全球纳米材料行业专利授权数量为10346项，授权比重仅为34.54%。
2022年1-10月，全球纳米材料行业专利申请数量和专利授权数量分别为12511项和1798项，授权比重为14.37%。截止2022年10月24日，全球纳米材料行业专利申请数量为31.78万项。
——全球纳米材料行业技术来源国分布：中国占比最高
目前，全球纳米材料第一大技术来源国为中国，纳米材料专利申请量占全球纳米材料专利总申请量的49.68%;其次是美国，纳米材料专利申请量占全球纳米材料专利总申请量的19.41%。韩国和日本分别排名第三和第四，专利申请量占比均在10%以下。
——全国纳米材料产业发展规模
纳米材料广义上是指在三维空间中至少有一维属于纳米尺寸范围内(1~100纳米)，或由该尺寸范围内的物质为基本构成单元的超精细颗粒材料的总称。纳米材料是处于亚稳态的物质，比表面积大、粒径小，表面原子比例高，具有独特的电子运动状态和表面效应，其结构上的特点使得纳米材料相较于常规尺寸材料具有催化性强、比热大、塑性好、硬度高、导电率高和磁化率高等优良特性，在电子信息、生物医药、新能源、节能环保、建筑化工、服装纺织、结构增强等领域中显示出巨大的应用潜能。
纳米材料细分产品众多，是我国重点发展的前沿新材料之一，现处于从科学研究向商业化应用阶段。目前，我国已实现工业化量产的纳米材料包括碳纳米管、石墨烯、纳米级碳酸钙、纳米级蒙脱土四大类。其中，纳米级碳酸钙、纳米级蒙脱土主要应用于橡胶、塑料、造纸等领域;目前碳纳米管主要作为导电剂材料应用于锂离子电池。石墨烯应用相对较广，可应用于半导体、传感及显示器、可穿戴设备、诊断治疗、制药等领域。
近年来，在政策和市场需求的大力推动下，我国纳米材料市场规模呈现出较快的增长趋势。根据Frost&Sullivan数据，中国纳米材料产业市场规模由2014年的481.3亿元，增长到了2018年的791.0亿元，年复合增长率为13.2%。随着纳米材料生产技术的改良及下游需求增加，2019年起我国纳米材料产业市场规模增速有所提升，前瞻预计至2024年，我国纳米材料产业市场规模将接近2000亿元。
——细分市场分析：石墨烯
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维碳纳米材料。
由于石墨烯具有优异的导热性能和力学性能，故其在传感器、聚合物纳米复合材料、光电功能材料、药物控制释放等领域表现出众多潜在的应用前景。
目前，石墨烯产业已经到了从实验室走向产业化的关键时期，石墨烯产业已经成为了中国新材料产业乃至制造业实现弯道超车的突破口。
中国石墨烯产业正处于市场导入期，产品尚未成熟，产业利润率较低，但市场增长率较高。2018年以来，石墨烯粉体和薄膜的生产规模进一步扩大。粉体方面，常州第六元素、青岛昊鑫、宁波墨西等多家企业已拥有国内领先的石墨烯粉体生产线。薄膜方面，长沙暖宇新材料科技公司年产量100万平方米的石墨烯膜生产线已开建，预计建成后将成为国内第二大石墨烯膜生产线。
2015年到2018年，中国石墨烯产业处于高速发展期。据中国经济信息社数据统计，2015年石墨烯市场规模仅为6亿元，2018年中国石墨烯产业规模约为111亿元，复合增长率高达117%。
在高速发展后，从2019年开始石墨烯产业进入快速平稳发展期，增速有所降低。根据CGIA与赛迪统计数据，2019年中国石墨烯规模达到120亿元，在疫情影响下，2020年石墨烯市场增速有所下降，石墨烯市场规模达到135亿元，同比增速12.5%，增速较往年明显放缓。
2021年，新冠疫情对石墨烯行业的影响仍将延续，再加上下游迟迟无法实现大规模应用，在产的企业也一直未能形成稳定的盈利模式，地方政府和企业等在石墨烯领域的投资也变得更加谨慎，石墨烯产业发展“进入平台期”，产业规模增速持续放缓，初步统计市场在148亿元左右。
——中国纳米材料行业竞争派系
纳米材料广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的超精细颗粒材料的总称。
纳米材料细分产品众多，市场竞争程度差异较大，部分工艺制备较为完善的细分行业龙头企业已逐渐形成。其中重点纳米材料产品有碳纳米管、石墨烯、纳米级蒙脱土、纳米碳酸钙等。其中碳纳米管行业主要竞争企业有天奈科技、集越纳米、昊鑫科技等、石墨烯行业主要竞争企业有方大炭素、杉杉股份等，纳米级蒙脱土主要生产企业有丰虹集团等、纳米碳酸钙实力企业有华纳集团、九峰纳米钙等。
——纳米材料产业发展趋势
前瞻基于上述细分市场与竞争格局分析，结合目前中国纳米材料产业技术创新情况，归纳该产业三大发展趋势如下：
中国纳米材料技术赛道热力图
根据前瞻产业热力图显示，与纳米材料关键技术强关联的城市集群主要集中在华南地区，并且以东莞、深圳市为重点发展区域，未来纳米材料技术及其他相关技术的发展路径，极大可能性在于华南地区优先导入，其中可重点关注广东省东莞市、广东省深圳市的福田区所处纳米材料的相关企业，以及该地方对于纳米材料的产业发展投资环境、供给市场的潜力空间。
前瞻经济学人APP资讯组
更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国纳米材料行业发展前景与投资预测分析报告》。
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