中國網/中國發展門戶網訊  當今世界正經歷百年未有之大變局，各類技術、理念和產業都發生著日新月異的變化。材料是現代文明的三大支柱之一，新材料被視為新技術革命的基礎和先導，其發展和趨勢將深刻影響時代的變化。近年來，全球氣候變化造成的影響已經涉及人類生活的方方面面，環境保護日益成為各國發展戰略的核心議題，我國也將生態文明建設作為“五位一體”總體布局的重要組成部分。同時，新一輪技術革命正在如火如荼地進行當中，隨著制造技術高速迭代，全球制造業均面臨著巨大的升級壓力，多個主要制造業國家提出了工業升級戰略，產業博弈進入新時代。此外，國家安全始終是各個國家發展的核心戰略，在總體國家安全觀下國家安全戰略也有了更豐富的內涵，面臨著巨大的發展機遇，具有重大意義。材料科學發展在應對全球氣候變化、制造業產業升級、國家安全等方面發揮不可替代的關鍵作用。現有的材料研發速度已經難以滿足社會的發展需求，材料科學的研發方式本身也必須要做出變革，因此材料基因工程理念和方法應運而生。本文從全球氣候變化、制造業產業升級、國家安全、材料基因工程?4?個方面，對材料科學發展的趨勢進行研判和預測。 

全球氣候變化背景下的材料科學發展

能源清潔、低碳化趨勢已經成為全球共識。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和?2035?年遠景目標綱要》中將“持續改善環境質量”單獨成章，進行規劃與布局。2021?年《中美應對氣候危機聯合聲明》再次強調了氣候變化帶來的風險的緊迫性。在環境保護重要性和緊迫性雙重要求下，材料科學需要通過支撐新能源材料推廣、廢棄物回收和高污染產業替代?3?個方面發揮作用。

新能源材料。發展環境友好的新能源材料，其實質是通過環境友好的方式完成能量捕獲、能量存儲和能量使用過程。例如：高性能永磁體材料和具有高光電轉化效率的光伏材料等。這些高性能發電材料能夠拓展人類從自然界捕獲能量的渠道和效率，光伏技術是發展速度最快的清潔能源技術，能夠滿足未來太瓦級的能源需求。太陽能電池技術。晶硅電池是成熟度最高的太陽能電池技術，兼具高效、穩定、安全等技術特點，近年來生產成本大幅下降，市場占有率達?90%。此外，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池在過去?10?年內取得了舉世矚目的發展。截至目前，小面積鈣鈦礦電池的認證效率達到?25.5%；鈣鈦礦/硅疊層電池的認證效率已達到?29.5%，其成為全球公認最具前景的新一代光伏器件。研發高效率、低成本、穩定、安全的太陽能電池是實現太陽能光伏發電廣泛應用的技術基礎。捕獲的能量可直接并網使用或儲存在各類儲能材料（如二次電池、超級電容器、儲氫材料）中。電化學儲能技術。近年來，電化學儲能技術席卷消費類電子市場，并迅速進入交通等領域。鋰離子電池能量密度高、電壓高、成本低，是該類技術的代表；得益于電動汽車產業的迅速發展，水系鋅基電池等新型儲能電池研發工作近年來取得快速發展。此外，可再生能源的氫轉化與存儲技術是我國大力發展的技術路線。開發高容量電極材料、高活性催化劑，進一步提升電池穩定性、安全性，降低成本是儲能領域的核心。在此基礎上，通過廣泛使用低電阻、低鐵損的非晶變壓器、非晶電機和軟磁材料等節能材料，可進一步提升能量利用率，降低碳排放。

廢棄物回收。我國作為全球制造業第一大國，在工業生產過程中所產生的大量廢氣、廢水和固態廢棄物需要在減量化、資源化、無害化的原則下進行處理。從減量化角度來看，通過耐腐蝕、耐疲勞、耐磨損材料的開發，盡可能延長各類工業產品的使用壽命，從而減少單位時間內產出的廢棄物。從無害化角度看，利用各類催化材料的光催化或化學催化等方法，輔以金屬有機骨架化合物（MOFs）和共價有機骨架化合物（COFs）材料的超高比表面積，實現對廢氣和廢水的高效降解或無害化處理。從資源化角度看，需要積極開展廢棄物資源化研究。2019?年我國一般工業固廢綜合利用量占比為?55.9%，仍有較大的上升空間。城市和農村基礎設施的建設和替換也會產生大量的建筑業廢棄物。充分利用工業廢氫、廢鋼、鋼渣、高爐渣、赤泥、煤矸石、尾礦、電石渣和粉煤灰等廢棄物，提升綜合利用率，可以變廢為寶。對航空工業、電子工業和汽車工業因產品升級導致的廢棄產品，如芯片、電池和電子產品，也需開展回收再利用的嘗試和研究，以期形成行業內部關鍵資源自循環，減少外部資源重復投入。

高污染替代。對現有材料生產方式進行改進，替代高污染、高耗能的生產方式，簡化生產工藝，也是材料科學可以發揮作用的一大領域。例如，金屬材料生產中采用連鑄連軋、擠壓鑄造等近終形制造工藝，提升材料綜合利用率，減少重復加熱導致的能量消耗；在非晶粉末生產中采用甩帶破碎工藝，簡化非晶粉末生產過程中的破碎步驟，提升生產效率，可大幅降低生產能耗。 

制造業產業升級背景下的材料科學發展

全球正處于在新的產業革命時代，正經歷著百年未有之大變局。著力提升國家制造業基礎是提升綜合國力的重要支點，是“以不變應萬變”的主要抓手。世界各國也因此紛紛啟動了推進制造業發展的相關計劃。例如，德國推進“工業?4.0”戰略，美國嘗試工業互聯網和“創客”，日本也推出了新的經濟增長戰略以應對“第?4?次產業革命”。我國是全球制造業第一大國，也是唯一擁有完整產業鏈的國家，全球制造業發展與我國發展息息相關。材料科學是制造業發展與進步的關鍵基礎，也是公認的制造業發展的瓶頸。因此，在制造業產業升級背景下，材料科學發展應從完成制造業產業升級和促進制造業結構改革兩個方面發揮作用。

制造業產業升級。“一代材料一代產業”，各類產業升級離不開材料科學的進步。“提升產量、提升質量、提升效率、降低成本”的“三提一降”策略是貫穿制造業發展始終的產業核心戰略。材料科學、新材料和相關技術能夠幫助產業實現升級。例如，通過突破鎳錳酸鋰正極材料及電池有關技術，將目前占主流的動力和儲能用磷酸鐵鋰電池體系替換為鎳錳酸鋰體系，電池能量密度將提升?40%?以上，每千瓦時成本可降低?20%?以上；或通過突破低密度鋼、高性能車用鋼的有關技術，替換現有鋼材，在不提升其生產成本的前提下，提升其服役性能。

制造業結構改革。除了在現有產業角度不斷提升之外，材料科學還應發揮基礎科學的創新源頭作用，改變我國材料工業和制造業現有的“大而不強”局面。逐步推動增材制造、先進熔煉和精密制造等材料相關的高端制造行業擴大產業規模，提升市場占比，形成從原材料到產品的完整產業鏈。 

基于國家安全的材料科學發展

2014?年，習近平總書記在中央國家安全委員會第一次全體會議上，提出了“總體國家安全觀”重大戰略思想。國家安全是國民經濟和民生穩步發展的重要前提。材料科學的發展與國防安全、社會安全和科技安全密切相關。在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和?2035?年遠景目標綱要》中也提出要深入實施制造強國戰略，堅持自主可控、安全高效，保持制造業比重基本穩定，推動制造業高質量發展。這是實現國家產業安全的重要布局，也是保障社會安全的關鍵屏障。材料科學在核聚變反應堆材料、高能激光材料、先進通訊材料和航天材料等關鍵領域的持續發展是保障國家科技安全的重要抓手之一。

關鍵國防安全材料。關鍵國防安全材料除了包括軍用金屬材料、軍用陶瓷材料、軍用高分子材料和軍用復合材料等常規軍用材料外，還包括為滿足戰略轟炸機、新一代陸基作戰平臺、電磁軌道炮、高超聲速飛行器和新型無人作戰系統等新軍事戰略需求需要著力研發的新型軍用材料。需要開展包括隱身材料、超材料、高性能熱障材料、新型發動機材料、輕質合金材料、高性能纖維材料、含能材料、磁性材料和新型光電功能材料等諸多材料體系的關鍵技術攻關。例如：輕質合金除了需要攻關新型高性能鎂合金、鋁合金和鈦合金的成分設計，對于這些合金的冷熱成型性能和與異質合金的連接性能也需要著力攻關；高性能纖維材料除了要攻關碳纖維、芳綸纖維、聚酰亞胺纖維和超高分子量聚乙烯纖維等材料的生產工藝外，還需要解決與其配套的環氧樹脂、聚氨酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）等纖維增強復合材料基體材料的迭代研制，以解決國產高性能纖維應用困境。積極發展軍民共用特種新材料，加快技術雙向轉移轉化，促進新材料產業軍民融合發展。

關鍵產業安全材料。關鍵產業安全材料主要包括核心基礎零部件、先進基礎工藝和關鍵基礎材料，確保在航天裝備、通信裝備、發電與輸變電設備、工程機械、軌道交通裝備、家用電器等與國計民生密切相關的產業中的相關材料關鍵技術能夠擁有相對完整的自主知識產權，相關的關鍵科學問題能夠自主開展攻關。確保在全球格局發生深刻變革的過程中，國家的基礎工業、基本民生和關鍵領域能夠保持穩定并可以自主發展。國家應該以特種金屬功能材料、高性能結構材料、功能性高分子材料、特種無機非金屬材料和先進復合材料為發展重點，加快研發先進熔煉、凝固成型、氣相沉積、型材加工、高效合成等新材料制備關鍵技術和裝備，加強基礎研究和體系建設，突破產業化制備瓶頸。

關鍵技術安全材料。在世界百年未有之大變局中，我國還需要在核聚變反應堆材料、高能激光材料、先進通訊材料及航天材料等處于材料科學技術前沿開展研究。需要高度關注顛覆性新材料對傳統材料的影響，做好超導材料、納米材料、石墨烯、生物基材料等戰略前沿材料提前布局和研制，加快基礎材料升級換代。 

材料基因工程對材料研發的影響

新材料的發現往往是一個偶然的過程，研發周期長、投入大。人們一直夢想可以面向實際需求進行材料設計，實現從依賴于經驗的傳統“炒菜式”試錯型摸索向有理論依據的、可計算預測的科學設計轉變。但是材料的組分-結構-性能之間的關系不是線性的，而是復雜多變的，人們直接面對的挑戰就是如何面對眾多的已知信息探索這些關系模式。目前，還沒有一種理論或實驗能夠全面、準確獲取所有的必需信息。

材料基因工程是材料研發的最新理念，將從根本上改變材料科學領域的研發模式，是材料科學領域的一場革命。材料基因工程基本理念在于通過高通量自動流程計算，探索物質或材料最底層要素及其協同調控物性的機制或規律，進行高通量集成計算與多層次材料設計，開展高通量材料組合設計實驗，以及基于高通量計算與實驗構建材料設計數據庫及信息數據庫。材料基因工程目標在于變革材料研發模式，實現按需設計，快速低耗創新發展新材料。材料基因工程的發展需要從高通量制備表征方法、高通量仿真計算方法和人工智能賦能?3?個方面開展工作。

高通量制備表征方法

高通量制備技術與材料的計算、預測環節緊密銜接，目前尚處于嘗試發展階段，如：組合薄膜沉積、多元擴散、噴印合成、微反應器陣列、激光增材等技術。一方面需要不斷發展和完善各類制備手段；另一方面需要強大的技術支撐給具體材料“量體裁衣”，針對具體制備環節設計新方法。相較于傳統的單個樣品“試錯法”而言，高通量合成技術能夠（連續）調控某個生長變量，如生長溫度、氣氛、壓力等參數，實現系列樣品的平行制備，因而更加適合多元材料新體系的探索和研究。在過去?20?年中，以“組合材料芯片”技術為代表的低維度材料高通量合成與表征平臺技術在先進功能材料的研發中不斷涌現新的案例；同時，多元擴散、噴印合成、微反應器陣列、激光增材等技術亦逐漸被應用于各類新材料探索中。

快速表征手段包括微區集成、連續掃描、多功能疊加、響應靈敏度等。目前，高通量合成材料制備缺乏豐富的快速表征手段和商業化設備，這成為制約材料基因計劃推廣的瓶頸。解決這一問題，一方面要結合大科學裝置實現高通量合成材料制備的微區結構、成分，以及電子、自旋、晶格等譜學探測手段；另一方面，要針對電磁學、熱力學、電化學、力學、催化等材料性能，積極建設相應微區探測手段，以實現不同形態、性能材料的快速篩選。

高通量仿真計算方法

為實現高效率的材料設計，材料基因工程注重發展和采用高通量仿真計算與實驗技術，同時需保證材料設計、實驗、應用環節的一體化進程。其中，高通量仿真計算是指直接面向應用需求，以原子為基本單元，基于量子力學的基本原理，充分利用已有或已知的材料結構／組分及物性等基本知識，有機結合大數據等信息化技術手段，自動進行智能化的材料設計與調控、物性計算與模擬；因此，能夠在短時間內進行大量材料的篩選與優化，為實驗合成制備提供理論指導，從而加速新材料發現、優化和應用的過程。高通量仿真計算旨在探求材料結構／組分和物性之間的關聯，建立起材料基因組數據庫。

高通量仿真計算改變了材料研究人員一次只能研究單個或少數材料的單兵作戰模式。他們只需提出材料性能需求，監控和調整材料搜索、設計、計算方案，分析計算結果，高通量仿真計算工具會依據需求和材料數據庫，自動生成大量相關材料計算任務，進行全方位的掃描和過濾，從而極大拓寬研究對象范圍，提高新材料發現幾率。高通量材料計算可以在實驗開展之前進行篩選和優化，可以在實驗無法達到的極端條件（如高溫、高壓、強場、超快、輻射等）下進行材料性能預測，以及對實驗現象的微觀機理進行探索和驗證，從而節約實驗成本和縮短實驗周期，是實現材料基因工程總體目標的關鍵。

人工智能賦能

通過數據科學技術，深度挖掘高通量實驗和高通量仿真計算數據信息，開創材料計算大數據科學方法。融合材料科學和信息科學的先進性，通過海量數據存儲、人工智能數據挖掘預測、互聯網信息共享傳播等技術手段，將材料研發推進到大數據時代。通過人工智能方法，提取材料“結構-物性”之間的隱形聯系，形成材料篩選和預測機制。通過海量數據構建可精確預測材料組分、結構、物性、合成條件的人工智能模型，并外推至更加廣闊的相空間，高效的篩選和預測新材料，加速材料研發。

需要針對亟待解決材料科研和工業應用領域中的材料科學難題，展開針對性研發。例如，針對新型無機功能材料、催化劑及電池材料、具有宏觀量子特性的新型材料、高性能輕質合金材料等領域的攻堅，有望進一步推進我國的材料工程水準，提高制造業核心生產力。 

材料發展歷程是人類社會文明進步的標志，其作用遠不止以上討論的幾個方向。新材料的研發與應用反映一個國家的科技競爭能力，先進材料是我國制造業強國戰略的物質基礎，材料基因工程計劃也是國家戰略計劃和科技部署中的重要部分。材料科學的發展既要著眼于未來，又需解決當前國家重大需求的現實問題；既需要建立快速、低耗、創新發展的科學基礎，又必須解決我國高端制造業所需關鍵材料長期依靠進口的嚴峻狀態。

（作者：林偉堅 松山湖材料實驗室、中國科學院物理研究所；張博文 松山湖材料實驗室；汪衛華 松山湖材料實驗室、中國科學院物理研究所；《中國科學院院刊》供稿）

相關文章