新闻中心 ：为什么陶瓷是作为马桶最好的材料

相信不少搞科研（搬砖）的小伙伴们最近又双叒被大神曹原的新闻刷屏（深深刺激）了。犹记得，那是2018年的春天，彼时还没有疫情肆虐，天才少年曹原以魔角（约1.1°）双层石墨烯的工作在顶级期刊Nature上背靠背发表了两篇文章，一时惊艳了整个科研圈！

时隔两年，少年还是从前那个少年：我一篇Nature都不发，要发只发两篇…

(鼓掌动图)

2020年5月，曹原和他的导师及合作者在Nature上报道了转角双层-双层石墨烯以及利用nano-SQUID（纳米超导量子干涉仪）表征转角双层石墨烯中角度非均一性问题的两项相关工作，将转角电子学领域推向了又一个高潮。

实际上，自2018年3月魔角双层石墨烯问世以来，和转角二维材料有关的科研工作至今已经有超过13项发表在Nature和Science两大顶级期刊上了（预警提示：即将又有一大波工作，正在Nature和Science发表的路上…）。

看着这些如潮水般的顶级科研工作，笔者忍不住想说，真香！

这魔角怎么有这么大的魔力？今天，笔者就和大家闲聊一下“转角”的各种“八卦”。

他研究的东西 你也可以在家模拟？

首先，大家肯定都好奇，这些发表在顶级期刊上的工作，它们研究的究竟是神马东西？

科学上的术语，称呼为：摩尔超晶格。

摩尔超晶格本质上是两套空间分布相近的格子叠加在一起相互干涉形成的一套低频、长周期的新格子。通俗地讲，两套格子在空间堆叠上，时而密集，时而稀疏，这种疏密的周期分布形成了所谓的摩尔条纹。

摩尔条纹在我们的日常生活中常常可以见到。例如，用手机拍摄电脑屏幕时，生成的照片上常常伴随着肉眼可见的畸形条纹。这是因为电脑屏幕的发光元件阵列和手机摄像头里的CCD或CMOS感光元件组成了两套相近的格子，它们相互叠加形成了摩尔条纹。摩尔条纹的图样和格子间的转角密切相关。感兴趣的童鞋，可以在身边寻找两套相同的格子（譬如窗纱），手动旋转它们，观察摩尔条纹的变化。

手机拍摄电脑屏幕产生的摩尔条纹（图片：作者自制）

旋转两层相同大小的六方格子形成周期更大的摩尔条纹（图片：作者自制）

尽管摩尔条纹给电子显示和拍摄带来不小麻烦，科学家却想到了利用二维材料中的摩尔条纹去观察新的物理现象。只需要将窗纱换成晶格接近或者相同的两层二维材料，并且小角度堆叠在一起，便可以构筑二维的微观摩尔条纹，即二维摩尔超晶格（曹原便是将窗纱换成了两层石墨烯，两层石墨烯间旋转约1.1°）。

这里，笔者顺便科普一下二维材料。

二维材料，顾名思义，它的厚度薄到可以将之视为二维极限。常见的二维材料包括石墨烯（石墨的基本组成单元，只含有一层碳原子，碳原子按照六角蜂窝状周期排列）、薄层过渡金属硫化物（如二硫化钼MoS2等，通常是良好的半导体材料）。由于二维材料太薄，两层二维材料的界面便能代表整体的性质。因此，二维材料被视为摩尔超晶格研究的最合适载体之一。

石墨烯的晶格示意图（每个小球为碳原子，图片来源：维基百科）

他是发现了高温超导机制吗？

著名科幻作家刘慈欣在他的代表作《三体》中描绘了由三个恒星体组成的世界。三个恒星靠万有引力彼此紧密关联，它们的运动波云诡谲，不可预测，给三体文明带来了巨大的灾难。

三体问题是最简单的多体问题，却足以困扰人类至今。当物体数N≥3时，体系的动力学问题无法严格求解（人们往往根据实际情况，采用各种近似的方法）。而在基础物理研究领域，由多个彼此关联的对象（包括电子、原子等）组成的多体体系，它们表现出的物理性质往往超出了既有知识的理解。

著名物理学家、诺贝尔奖得主Philip W. Anderson教授（已于2020年3月与世长辞）曾经留下著名的一句话“More is different”，便是指多体关联作用能带来新的物理。

Philip W. Anderson（1923.12.13-2020.3.29）

在现实的材料中，电子之间可以靠静电相互作用（库伦作用力）彼此关联在一起，它们的多体关联往往诱导出奇特的物理性质。譬如，在铜基的陶瓷材料中，科学家发现它的超导转变温度可以大幅提升至液氮的沸点温度以上，因此具有很高的实用价值（中国科学家在这个领域做出了突出贡献）。实现室温的超导转变，对未来的能源和交通发展将会产生革命性影响。

因此，在基础物理研究上，寻找这样的强关联体系并挖掘其中的物理奥秘，一直是一项非常重大的课题。而我们今天重点介绍的转角摩尔超晶格，便是一个很好的多体关联体系。

时间要追溯到2011年。尽管当时人们已经认识到将两层石墨烯以一定的转角堆叠起来，可以形成二维摩尔超晶格，并带来新的物理现象。但是，直到美国的理论物理学家Allan H. MacDonald教授和Rafi Bistritzer博士计算出转角为1.1°的双层石墨烯超晶格中电子的速度会大幅降低，人们才开始逐渐认识到1.1°转角双层石墨烯超晶格蕴含了丰富的多体强关联物理。

为了让大家更明白这其中的奥秘，笔者举一个简单例子。

考虑一个子弹射击年糕的情形，年糕对子弹的粘附力类比于电子间的静电相互作用力，子弹的速度类比于电子的速度。当子弹的速度极快时，子弹轻松击穿年糕，年糕几乎对子弹没有什么影响；而当子弹的速度很慢时，子弹会被年糕黏住。

电子的速度和相互作用力，便是这样的一对竞争关系。在单层石墨烯中，电子的速度可以达到光速的1/30，速度极快（相对论效应都出来了），电子间的相互作用力很多时候可以忽略不计。而在1.1°转角双层石墨烯超晶格中，电子的速度几乎接近于零，多体的相互作用便占据上风了，转角石墨烯超晶格由此成为典型的多体模型（具体的关于电子速度为啥会大幅下降，感兴趣的童鞋可以自行查阅相关文献）。

魔角双层石墨烯模型（图片来源：Nature杂志网站）

子弹被年糕黏住的结果，反映在魔角石墨烯超晶格中，就是原本的电子金属态可以转变为绝缘态。

在理论预测之后，实验科学家开始尝试利用各种方法去制备这样的转角石墨烯超晶格样品，并观测其中的多体物理现象。

2018年，曹原和他的导师Pablo Jarillo-Herrero教授率先实现了魔角双层石墨烯样品的制备，并在低温下（约零下270℃）观测到金属态到绝缘态的转变。令人震惊的是，他们意外地发现，如果向转变后的绝缘态添加一定量的电子，居然能诱导出超导现象！这种行为和我们上文介绍的铜基超导体很像。

因此，魔角双层石墨烯对于认识高温超导机制具有重要作用（并不是说曹原的工作发现了高温超导机制甚至实现了室温超导，此处严肃批判某些媒体对此的错误报道）。

曹原和他发现的魔角双层石墨烯超导现象（图片来源：Nature杂志网站）

由于转角石墨烯的突破性进展，Pablo Jarillo-Herrero教授获得了2020年巴克利奖（凝聚态物理最高奖）；Pablo Jarillo-Herrero，Allan H. MacDonald和Rafi Bistritzer共同获得2020年沃尔夫奖。

从左至右依次为：Pablo Jarillo-Herrero，Allan H. MacDonald和Rafi Bistritzer（图片来源：Wolf Prize官网）

转角，为什么在科研界爆红？

转角石墨烯中电子的多体相互作用带来的有趣物理现象迅速吸引了人们大量的关注。在2019年，物理学家发现了该体系里还存在着丰富的量子物态。对基础物理稍微关注的童鞋，可能听说过清华大学薛其坤院士发现量子反常霍尔效应的工作（被杨振宁先生称为“诺奖级的成果”）。在魔角双层石墨烯中，同样可以实现量子反常霍尔效应。

魔角双层石墨烯中的量子反常霍尔效应（图片来源：Science杂志网站）

基于这些重大成果，一个新的研究领域——转角电子学，应运而生了。该领域可以大致分为两个方向（纵向和横向）：纵向上，深入挖掘和理解该体系里的新奇物理现象，包括我们上文提到的超导和量子反常霍尔效应；横向上，寻找更多的转角多体关联体系。

文章开头提到的曹原今年的两篇Nature之一，在转角双层-双层石墨烯超晶格中发现金属-绝缘态转变的工作，就属于后者（值得注意的是，中科院的团队也做出了同样的工作）。除了将两个单层或者两个双层石墨烯堆叠在一起，科学家后来发现，几乎绝大部分的二维材料以某种角度堆叠形成合适的摩尔超晶格后，都可以演变为电子的多体强关联体系（已经有多个相关工作发表在Nature和Science杂志上）。

兼顾“深”与“广”，这可能是“转角”为什么在科研界爆红的原因吧！

Nature三连：2020年发表在Nature期刊上关于其他二维材料转角超晶格的三篇文章（发表时间分别为2020年3月，2020年3月，2020年5月）

近日，比亚迪电子正式推出陶瓷雾化芯（陶瓷芯）技术品牌标识“BEEM CORE”。在这项看起来并不起眼的技术发布背后，电子烟代工领域，正在迎来一次行业转折点。

陶瓷芯是电子烟的核心部件，陶瓷芯能将烟油加热成用户吸进嘴中的“烟”，决定了电子烟的抽吸体验。

过去几年，拥有陶瓷芯技术先发优势的思摩尔，成为了最大受益者，同样也是其横行于电子烟市场的杀手锏。

在生产陶瓷芯的厂商中，思摩尔国际以18.9%的市场份额位居电子烟代工龙头，而第2-5名的市占率合计仅14%。

然而随着跨界对手比亚迪的到来，以及对陶瓷芯技术的逐步破解，思摩尔的王者光环似乎正在打破。

消极的市场情绪正在笼罩这家公司。在资本市场上，思摩尔股价自1月份以来不断下行，市值已经腰斩。然而比亚迪电子却在11月以来，公司股价从22港元一路高涨50%，最高突破了33港元大关。

一边是在消费电子上拥有更强经验实力和技术的比亚迪，另一边则是在陶瓷芯技术上“一招鲜”的思摩尔。

随着最关键的陶瓷芯“城墙”逐渐被比亚迪攻破，思摩尔在电子烟的铁王座还能持续多久？

“陶瓷芯的自动化程度更高，能够大规模量产，（比亚迪进入）对行业影响会非常明显，有望打破现有格局。”电子烟垂直媒体格物消费创始人马伟民对界面新闻评价说，比亚迪电子是目前对思摩尔国际最具挑战性的竞争者，它推出陶瓷芯符合行业逻辑。

烟油和雾化芯组是电子烟的核心，因为调配制成的烟油相对简单，雾化芯就成了电子烟的“心脏”。它通过加热将烟油雾化，产生的蒸汽与空气混合后成为气溶胶，这便是用户吸入口中的“烟雾”。

棉纤维与陶瓷，是两种主流的雾化芯加热材料。棉芯是早期电子烟常用的材料，特点是导油性好（利于抽吸体验），棉花成本低廉，但其制造稳定性和产品一致性较差。

比亚迪电子早前已有棉芯产品面世，例如今年为电子烟品牌蓝沛代工的一款“油芯分离”产品，其烟弹售价仅49元一盒，比使用陶瓷芯的悦刻便宜了一半。

棉芯之后，综合性能更优的陶瓷材料出现了，它平衡了产品性能与成本，能够实现更稳定的自动化、大规模量产。

在电子烟爆发期，产品供不应求，率先研发出性能优良的陶瓷芯的思摩尔国际，就借此抢占了大部分市场。其陶瓷芯可以做到每小时7200颗的产能，但自动化棉芯生产线只能做到1800颗。

“陶瓷芯没有太高技术含量，它是存在一定‘Know-How’，但能用人力与时间去弥补。”一位头部电子烟企业负责人对界面新闻说。

作为电子烟“心脏”的陶瓷芯，其“Konw-How”主要在于烧制出的陶瓷孔径，只有气孔细密而高强度的陶瓷才能产生良好的抽吸感。按照上述人士说法，这些技术能力对于大手笔、大投入的比亚迪电子来说，很快就能补足。

比亚迪电子在2019年10月申请了《一种多孔陶瓷及其制备方法和应用》的发明专利，于今年推出自研陶瓷芯品牌。

“做陶瓷芯本身不是一件太难的事情，关键还要看其配方本身雾化还原水平和体验的愉悦度。比亚迪（做的陶瓷芯）目前来看，是为了提高装配效率和装配作业的一致性和稳定性。”另一位小型电子烟品牌负责人对界面新闻介绍说。

上述负责人认为，未经市场检验，目前还无法断定其陶瓷芯的技术先进性。但能肯定的是，比亚迪电子的品牌背书与制造能力，能在市场上激起水花。

“从未来趋势来看，电子烟生产肯定是自动化程度越高越好，比亚迪电子想做一个颠覆式的创新，它会把自动化程度无限接近于100%。”马伟民说。

比亚迪电子目前共有五大业务板块：组装、零部件、智能产品、 汽车 智能系统、医疗（口罩），2020年占总营收比例分别为43%/24%/13%/2%/18%。低附加值的组装业务近几年来比例降低，公司在更高利润的 汽车 和智能产品上寻找增长空间。

电子烟被视作最重要的增长引擎。尽管还面临着政策上的不明朗，但它仍是门好生意。思摩尔国际面向企业产品的毛利率可达40%以上，而比亚迪电子传统的组装业务毛利率仅4%左右，10倍的利润差距，足够诱人。

根据公开信息，比亚迪电子对电子烟的布局从2018年就已开始。

2019年，比亚迪电子完成了市场分析和产品设计，大部分产品成型，但产品即将落地时赶上了2020年初的疫情，公司工作重心便转到了口罩机。

口罩产能饱和后，比亚迪电子继续向电子烟发力，并由CEO亲自带队。2020年第二季度，公司完成了包括雾化烟具、陶瓷芯、烟弹的打样，随着陶瓷雾化芯和烟弹系统研发成功，公司开始进行专利布局。

今年5月的一份调研纪要显示，比亚迪电子表示，公司电子烟产品“在技术上有独特的地方，包括陶瓷的孔”，通过不断调整参数，达到了客户对香味、甜味、饱满度的要求。“有些技术申请了专利，有些Know-How属于机密没有申请专利。”比亚迪电子管理层说。

电子烟的构造相比绝大多数电子产品都要简单，技术以外，生产商的量产能力、稳定性都是品牌客户看重的要素。比亚迪电子曾对外表示，公司投入了近600工程师参与研发，在产能上投入了40条产线，单条产线每秒可产1颗烟弹，满负荷下日出货量可达400万支。

到2021年，比亚迪电子已与部分国内品牌合作，推出了“棉芯”型电子烟。而自研陶瓷芯的面世，意味着比亚迪电子能夺得更多客户，实现规模量产。

“我们研发团队走访了很多代工工厂，最终还是决定选择比亚迪。主要是因为比亚迪电子作为传统代工巨头，在加工制造优势更大”，ICE暴雪相关负责人解释与比亚迪合作的原因。

比亚迪电子在三季报业绩交流会上表示，公司新的陶瓷芯产品已经运用于海外大客户产品，如进展顺利，明年海外大客户会贡献可观的收入。

深圳被称作“全球雾谷”，这里生产并出口了全球95%以上的电子烟及配件。

思摩尔国际是深圳千千万万电子烟作坊中脱颖而出的佼佼者。

2007年，深圳思摩尔公司开始涉足电子雾化设备，是最早进入电子烟行业的企业之一。其发展大致经历三个阶段：2007-2014年，创立与发展期，期间于2012年开始出口美国；2015-2017年，出口业务高速增长期，期间将第一代陶瓷加热技术引进市场；2018年至今，技术领先进一步稳固龙头地位，于2020年7月挂牌港交所。

让公司一路高歌猛进的原因，正是陶瓷芯。思摩尔国际在2016年研发出第一代“FEELM”陶瓷芯技术，构建了自己的专利护城河，从而绑定了一批优质大客户。公司收入也由2016年的7.1亿元增长至2020年的100.1亿元，年化增长70%，市值一度超过4000亿人民币。

但作为全球最大的电子烟制造商，思摩尔国际龙头一哥的地位看似稳固，今年的日子却不太好过。

其股价自1月份以来不断下行，市值已经腰斩。这其中，除了受政策风向影响的市场情绪波动，更重要的原因是市场竞争愈发激烈，巨头入场挑战。后来者在资金储备和技术研发实力上不遑多让。

立讯精密也在今年8月涉足电子烟代工，成立了子公司立鼎电子，经营范围包括电子烟、可穿戴智能设备、集成电路芯片等，并已有电子烟相关专利布局。

东吴证券在研究报告中分析称，综合来看，比亚迪电子拥有和思摩尔竞争的实力，由于电子烟行业仍处于发展早期，格局未定，竞争激烈，比拼的是厂商对核心技术的理解，比亚迪电子有望凭借自身在陶瓷等领域的积累获取一定份额，成为行业重要玩家。

不过短期内，思摩尔国际的确能凭借专利布局上的先发性保持优势。

界面新闻搜索国家知识产权局网站显示，思摩尔国际的主体深圳麦克韦尔 科技 有限公司，目前共有547条电子烟相关有效专利，其中发明专利有191条，154条实用新型专利。

而比亚迪（包括深圳、惠州等多家子公司）的电子烟相关有效专利有18条，其中发明专利3条，实用新型专利15条，后者的含金量较发明专利低。不过，此前比亚迪电子曾在调研中透露，公司已有近100项专利在申请当中。

除技术壁垒外，思摩尔国际与头部电子烟品牌的深度绑定，也让比亚迪难以突破。VUSE（英美烟草旗下品牌）和悦刻是海内外头部品牌，也是思摩尔的大客户，短时间内，这一市场格局不会改变。

但长期看，国内电子烟行业还在发展初期，海外的欧洲市场对电子烟相对开放，仍有扩展空间，市场远未到定局。而电子烟产品的功能、技术路线也有许多待 探索 之处。

种种迹象表明，在电子烟这块巨大的蛋糕面前，比亚迪电子内部正紧锣密鼓，一方面正提升核心技术，另一方面也不断扩充产能，有意与思摩尔一较高下。

界面新闻在采访调查中发现，绝大多数电子烟品牌，碍于供应链合作关系，都相对晦涩地表达比亚迪即将对思摩尔带来的冲击。

后来者赶超的案例在商业史上多次上演，面对比亚迪电子这个强劲对手，思摩尔国际显然不能高枕无忧了。

电子烟品牌唯臻CEO王锦彬认为，虽然比亚迪电子布局电子烟业务不久，但以其强大的生产制造能力和完善的供应链配套体系，相信会后来居上，对思摩尔的冲击不言而喻。

“等到比亚迪有足够多的用户数据后，陶瓷雾化芯双雄逐鹿的趋势一定会出现，届时不论是新晋品牌还是传统品牌的电子烟客群，在面临可选择性的同时，一定会有多方面的考量。”王锦彬说。

中国科学家的突破意义

当下的科技时代，人们希望各类电气设备的尺寸越来越小，这也倒逼传统压电材料需要进行更大规模的“压缩”，甚至成为织物，制成衣服穿戴在身上。

人类的新需求对传统压电材料而言，意味着会出现诸多问题。比如压电陶瓷制作需要上千度的高温，而在此高温下大多数精密电子器件与具有柔性的薄膜都无法耐受；同时，陶瓷的高硬度在遇到对柔韧性的需求时反而成为缺点；更重要的是，传统压电陶瓷中通常含有潜在有毒金属，不利于环境保护，并有可能对生物体产生毒性。

研究证实，除了传统陶瓷材料，世界上还存在着另一大类由分子组成的特殊“分子材料”，它们结构灵活多变、性质设计调控空间大、制作成本低、容易制成薄膜、柔韧性好、可降解、无毒害，这些特性使得它们成为材料研究领域的热点。为补充传统压电陶瓷在应用中存在的问题，研究者们近百年来不懈努力，一直试图提升分子材料的压电性能，希望能用分子材料来补足压电陶瓷的短板，但此项研究长期收效甚微。

据熊仁根教授介绍，其科研团队突破传统合成思路，创新性地从提升铁电极轴数量入手，利用相变前后对称性的巨大变化，发现了一类具有优异压电性能的分子铁电材料。据了解，这种新型分子铁电材料秉承了分子材料的种种优势，同时首次在压电性能上达到了传统压电陶瓷的水平。

具有优良压电特性的分子铁电材料意味着制作出具有实用性的柔性薄膜压电元件不再是一件难以企及的梦想，它将会使计算机芯片的体积进一步缩小，使得制造像纸张一样折叠弯曲的心率计、B超机成为可能，凭借着分子材料的良好生物兼容性，人类将有可能制作出更加安全的医学植入器件。

中国科研团队的研究成果也意味着可利用衣物的弯折对手机充电，在未来用衣服给手机充电将不再是一则童话故事。除此以外，分子压电材料还在传感器、人机交互技术、微机电系统、纳米机器人以及有源柔性电子学等领域具有重大的应用前景，给人类带来无数科技想像可能。

高朋召 三维碳纤维预制体/陶瓷基复合材料的制备及性能研究 2004

廖树帜.张邦维 查看详情 [期刊论文] -稀有金属材料与工程1998(05)

郑燕青.施尔畏.李汶军 查看详情 [期刊论文] -中国科学2001(04)

葛荣德.刘志宏 查看详情 1995

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塑料：塑料为合成的高分子化合物，又可称为高分子或巨分子。也是一般所俗称的塑料或树脂，可以自由改变形体样式。是利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料，由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成的。

纸张：纸用植物纤维制成的薄片，作为写画、印刷书报、包装等。纸张：纸的总称。纸以张计，故称。纸张一般为分：凸版印刷纸、新闻纸、胶版印刷纸、铜板纸、书皮纸、字典纸、拷贝纸、板纸。

陶瓷：陶瓷是陶器和瓷器的总称。陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。常见的陶瓷材料有粘土、氧化铝、高岭土等。陶瓷材料一般硬度较高，但可塑性较差。

玻璃：一种较为透明的固体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。