全球新材料領域基礎研究發(fā)展態(tài)勢及對我國的啟示 *

萬 勇 董金鑫 馮瑞華 花 夏 黃 健

（1.中國科學院武漢文獻情報中心，武漢 430071；2.華中師范大學信息管理學院，武漢 430079）

“十四五”及今后很長一段時期，是我國構建現(xiàn)代化產業(yè)體系、推動制造業(yè)高質量發(fā)展的關鍵時期。實現(xiàn)制造強國目標，離不開材料的支撐與保障作用。當前，新材料領域已成為全球經濟和科技競爭的戰(zhàn)略焦點之一，美國、歐盟、英國和日本等發(fā)達經濟體為鞏固其優(yōu)勢主導地位，不斷出臺戰(zhàn)略政策措施，并實施相應策略，加大新材料領域的研發(fā)及應用投入力度，推動該領域跨越式發(fā)展；在新材料的模擬設計、合成制備方法和性能功能突破等基礎研究方面，通過精準設計并創(chuàng)制新材料，高通量、多維度、多尺度地對材料進行表征及解析，發(fā)展材料物理與化學性質的精準調控原理、方法和技術等，取得了眾多重要進展［1-4］。

1 主要國家／地區(qū)新材料基礎研究布局

1.1 美國：聚焦優(yōu)先方向，更新多項規(guī)劃

美國歷來重視新材料的研發(fā)，進行了全方位布局，目標是保持其在新材料領域的全球領先地位，并支撐信息技術、生命科學、環(huán)境科學和納米技術等的發(fā)展，滿足其他行業(yè)領域對新材料的需求。2019 年2 月，美國國家科學院發(fā)布《材料研究前沿——十年調查報告》（Frontiers of Materials Research：A Decadal Survey）［5］，回顧了之前十年美國材料研究的進展和成就以及材料研究領域的變化；分析了2020—2030 年間的投資機遇；闡述了材料研究對新興技術、國家需求和科學的已有的和預期的影響；展望了十年間可能面臨的挑戰(zhàn)，并提出了關鍵政策建議。報告提出的研究熱點包括：金屬材料，半導體及其他電子材料，陶瓷、玻璃、復合材料和雜化材料，構筑材料與超材料，以及能源、航空航天、地面交通等其他行業(yè)需求的材料等。

2021 年末，指導美國材料領域科技發(fā)展的兩大計劃——材料基因組計劃（Materials Genome Initiative，MGI）和國家納米技術計劃（National Nanotechnology Initiative，NNI）先后發(fā)布新版戰(zhàn)略規(guī)劃，提出了之后五年的發(fā)展目標。新的《材料基因組計劃戰(zhàn)略規(guī)劃》提出材料創(chuàng)新基礎設施、材料數據和人員培養(yǎng)三個目標，盡管未明確提及具體的材料研究方向，但更加強調材料基因組計劃對于推動材料創(chuàng)新，尤其是推動新材料走向應用方面的潛力［6］?！秶壹{米技術計劃戰(zhàn)略規(guī)劃》對2016 年版本做出較大調整，在發(fā)展愿景上，圍繞技術與產業(yè)變革，將“引發(fā)”調整為“已經發(fā)生”，反映出美國科技界對科技革命態(tài)勢的最新判斷；在發(fā)展目標上，繼續(xù)關注開展技術研發(fā)、推進商業(yè)化、加強基礎設施建設和負責任發(fā)展等方向，并將公眾參與和勞動力培養(yǎng)的相關內容單獨列出，體現(xiàn)了對人才培養(yǎng)的重視［7］。

1.2 歐盟：推動數字化綠色化發(fā)展

歐盟期望在材料科學與工程的多個研究方向成為國際領導者，將新材料列為關鍵使能技術之一，在盡可能多的新材料技術中爭取世界領先。歐盟重視環(huán)境友好，當前正在實施的“地平線歐洲”框架計劃關注石墨烯、綠色與可持續(xù)材料和工業(yè)材料等的研發(fā)，助力數字與綠色轉型。2022年12 月，歐洲材料聯(lián)盟組織發(fā)布《材料2030 路線圖》，提出推動材料開發(fā)數字化，加速材料設計與開發(fā)；加強新材料加工和規(guī)?；闹位顒拥刃袆咏ㄗh。路線圖圍繞九大類材料創(chuàng)新市場，詳細闡述了面臨的研發(fā)挑戰(zhàn)與優(yōu)先事項以及預期的社會經濟效益［8］。按照應用領域，這九類材料分別是：健康與醫(yī)療材料、可持續(xù)建筑材料、新能源材料、可持續(xù)運輸材料、家庭及個人護理材料、可持續(xù)包裝材料、可持續(xù)農業(yè)材料、可持續(xù)紡織品材料和電子電器材料等。

1.3 英國：建設關鍵技術集群

作為新材料領域的老牌優(yōu)勢國家，英國新材料科技發(fā)展策略是利用世界先進材料技術助推可持續(xù)發(fā)展。英國在新材料的發(fā)現(xiàn)和早期研究方面具有世界領先的學術水平，其高校在材料科學、新材料發(fā)明與發(fā)現(xiàn)以及與工業(yè)界合作等方面有著長久優(yōu)勢。英國新材料領域主要研究所之一的亨利·羅伊斯研究所認為，“材料4.0 與信息學”（Materials 4.0 and Informatics）將有望發(fā)揮更大作用，并結合數字和物理孿生進行高通量制造、測試及表征［9］。2021 年7 月，英國政府發(fā)布的《英國創(chuàng)新戰(zhàn)略：創(chuàng)新引領未來》報告將“新材料與制造”確定為未來助推英國經濟的七項關鍵技術集群之一，希望實現(xiàn)新材料的批量化制造，并將安全性評估與可持續(xù)發(fā)展融入材料的設計與創(chuàng)新。該報告將超材料、二維材料、智能仿生自修復材料、復合材料結構與涂層技術等列為有發(fā)展?jié)摿Φ臋C遇方向［10］。

1.4 日本：注重新材料的實用性和數據基礎能力

日本向來重視新材料技術開發(fā)，研發(fā)注重實用性，并強調材料與環(huán)境、資源與能源等的協(xié)調發(fā)展，所選取的重點是市場潛力巨大和附加值高的新材料方向，并希望盡快實現(xiàn)專業(yè)化、產業(yè)化。日本在碳纖維、電子材料、特種鋼、陶瓷材料等領域處于國際領先地位，并重點開發(fā)各類可應用于信息通信、新能源、生物技術等的新材料。2021 年4月，日本內閣府發(fā)布的《材料創(chuàng)新力強化戰(zhàn)略》報告認為，面向未來科學技術和社會經濟發(fā)展，材料將發(fā)揮重要的推動作用；通過創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略能夠快速高效解決當前日本材料行業(yè)中存在的發(fā)展瓶頸與問題。報告提出，應建立以數據為基礎的材料創(chuàng)新體系，推動數據驅動型材料研究，以強化日本材料創(chuàng)新能力。圍繞材料開發(fā)與應用、數據驅動研發(fā)、國際競爭力三個維度，報告提出了行動計劃方案。其中，“數據驅動研發(fā)”是主要舉措布局之一，將整合以數據為基礎的材料研發(fā)平臺，構建數據驅動型創(chuàng)新體系［11］。

1.5 中國：材料基礎研究日益受到重視

近年來，隨著我國科技發(fā)展水平的提升和國際環(huán)境的變化，原始創(chuàng)新能力成為我國進一步提升國際競爭力的關鍵要素，基礎研究的重要性逐漸得到我國政府的高度重視。2020 年1 月，科技部等五部門聯(lián)合印發(fā)《加強“從0 到1”基礎研究工作方案》，面向國家重大需求對關鍵核心技術中的重大科學問題給予長期支持，其中就包括重點基礎材料、先進電子材料、結構與功能材料等方向［12］。

大科學裝置與材料研究聯(lián)系更加緊密，發(fā)揮著原始創(chuàng)新“策源地”的作用。近年來，我國多個綜合性國家科學中心的大科學裝置建設與應用正在提速，這將幫助深入探索材料納米尺度量子結構、極端條件下物性與物質演變、長期服役性能等，推動材料基礎研究從經驗摸索向人工設計調控的升級轉變，成為探索材料科技前沿和滿足國家重大戰(zhàn)略需求的“殺手锏”。與此同時，我國各地方政府依托相關高校院所、企業(yè)，建設省級實驗室，打造“國家實驗室預備隊”。2018 年以來，廣東、江蘇和浙江先后啟動了以材料為關注領域的實驗室建設，通過探索新的研究組織模式，加快新材料基礎研究和應用轉化。

2 新材料領域基礎研究發(fā)展趨勢

中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中國科學院文獻情報中心與科睿唯安每年聯(lián)合發(fā)布的《研究前沿》和《研究前沿熱度指數》報告顯示，近年來，在化學與材料科學領域，我國研究活躍程度位列全球第一。以2022 年為例，我國在該領域排名前三的前沿數量占比為92.31%，研究前沿熱度指數是排在第二位的美國的約2.5 倍，顯示出我國材料科學基礎研究的整體實力和影響力處于世界領先位置［13-18］。報告顯示，我國學者近年來在Nature和Science期刊發(fā)表的新材料領域相關學術論文逐年增加，涌現(xiàn)出一批具有引領作用的材料基礎研究成果。對這些論文進行歸類解讀可以發(fā)現(xiàn)，我國新材料領域基礎研究的目標是圍繞現(xiàn)有材料的性能極限和功能制約開展突破性研究，為新能源、生物醫(yī)學、信息技術、高端制造等行業(yè)提供滿足應用需求的核心材料支撐。因而，材料基礎研究的普適性科學問題在于：如何精準地設計和創(chuàng)制新材料？如何更為準確深入地開展材料性能調控與表征解析？材料在走向結構功能一體化的同時，可持續(xù)發(fā)展面臨的資源約束問題如何破解？對這些問題的回復，從一定程度上也正好展現(xiàn)了材料領域基礎研究的發(fā)展趨勢［19，20］。

1）材料設計與研發(fā)加速向新范式轉變。隨著超級計算機、機器學習、人工智能、量子計算等先進信息技術的發(fā)展，新材料的設計與研發(fā)過程正在發(fā)生巨變。這些數字化技術在新材料領域不斷滲透，影響效應不斷提升，顯著深化了人們對材料理論基礎的認識，大力推動了新材料的遴選、設計和研發(fā)。這些信息技術在新材料領域的應用，可大幅縮短新材料的研發(fā)周期，顯著降低制備成本，實現(xiàn)新材料研發(fā)由“經驗指導型”向“理論預測+實驗驗證”的新模式轉變。未來，新材料研發(fā)將加速向第四范式轉變，各類信息技術在新材料開發(fā)中的作用將進一步凸顯。

2）新材料制備與表征技術不斷發(fā)展。以分子、原子為起點開展新材料的合成制備，并在微觀尺度上進行成分與結構控制，材料制備合成的新技術、新裝備層出不窮，助力新材料向多功能、智能方向發(fā)展，將產生體積更小、集成度更高、功能更優(yōu)異、更加智能的產品。同時，基于同步輻射光源、散裂中子源等大科學裝置的成像、譜學和衍射技術，研究人員充分利用其在亮度、空間分辨率、穿透性等方面的優(yōu)異特性，發(fā)展了多種高通量、多維度、多尺度的材料表征技術，并應用于新材料微結構及其演化等的研究，反映了材料表征技術的重要進步，新材料內在機理得到進一步探索［21］。

3）更加關注能源與資源約束。碳中和、碳達峰為新材料發(fā)展帶來重大需求，更加重視新材料的綠色發(fā)展，在研發(fā)、制造到應用等環(huán)節(jié)更加突出環(huán)境友好、成分簡約、循環(huán)利用。新材料的發(fā)展更加依賴戰(zhàn)略性原材料資源的使用，并對支撐高端裝備制造、國防等作用舉足輕重。此外，隨著社會經濟的發(fā)展和科學技術的進步，全生命周期理念漸入人心，短流程制備、稀缺元素替代、近凈成形、結構功能一體化和回收技術等日益得到重視［22］。

3 新材料領域基礎研究的熱點方向與研究進展

當前，計算物理理論與方法體系的建立及進展、信息科學技術的飛速進步，使得對新材料的結構開展計算預測及其性能模擬計算成為必要和可能。先進合成與制備技術的突破不僅有效帶動了一系列新材料的發(fā)展，還能夠顯著改善現(xiàn)有材料的性能，積極賦能國防和國民經濟建設需求。材料力學性能、物理性能和化學性能等與組成、結構的相關性、轉換與變化規(guī)律等，也一直是研究的熱點方向之一。同時，結合材料學科基礎分類，本節(jié)以新材料設計與模擬、制備與加工、性質表征、器件制造、循環(huán)利用等為熱點方向，貫穿“設計—制備—表征—應用”的價值鏈條以及“料要成材、材要成器”的發(fā)展脈絡，介紹各方向近年來取得的主要進展。

1）新算法助力新材料篩選及開發(fā)。通過數據驅動的機器學習算法建立材料性能預測模型，并應用于材料篩選與新材料開發(fā)是近年來的熱點之一。美國勞倫斯伯克利實驗室利用卷積神經網絡分析實驗數據，實現(xiàn)對單層二硫化鎢缺陷的快速繪制和識別：從利用傳統(tǒng)掃描隧道顯微鏡的23天時間大幅縮短至8 小時［23］；美國杜克大學利用密度泛函理論和AFLOW 材料數據庫進行數據挖掘，探索出28 種新型二維材料的化學組成，并具有在電子、磁性和拓撲方面的卓越特性［24］；中國科學技術大學研制出全球首個數據智能驅動的全流程機器化學家，具有更強的化學智能和廣泛的化學品開發(fā)能力，目前已涵蓋光催化與電催化材料、發(fā)光分子、光學薄膜材料等［25］。

2）制備與加工技術。各類外延、沉積和極端條件下制備與加工技術的發(fā)展使人們可以獲得具有復合功能性質的新材料，推動新材料及其器件向低維化、復合化和材料器件一體化的方向邁進。美國馬薩諸塞大學和佐治亞理工學院通過3D 打印制作出雙相納米結構高熵合金，具有超高強度和更高的延展性，其強度比傳統(tǒng)金屬鑄件提升了3 倍，有望用于生物醫(yī)學、航空航天等的高性能部件［26］；美國東北大學開發(fā)出一種可壓鑄成復雜零件的全陶瓷材料，比當前的金屬更輕薄、更高效，可改變手機及其他無線電部件等電子產品的散熱設計和制造［27］；美國普林斯頓大學通過對不同材料進行分層，并制備出超薄的二維覆蓋層保護最脆弱的區(qū)域免受曝光，成功開發(fā)出第一個具有商業(yè)可行性的鈣鈦礦太陽能電池，其使用壽命超過30 年［28］。

3）新材料性質表征研究取得突破。通過高空間分辨、高能量分辨、高時間分辨、原位與外場作用等表征技術，開展新材料基本物理性能、化學性能及其顯微結構一體化分析測試表征，可誘導出一些新原理的揭示和新效應的發(fā)現(xiàn)。美國麻省理工學院在碘化鎳中發(fā)現(xiàn)“多鐵性”狀態(tài)，首次證實二維材料可存在多鐵特性，為開發(fā)更小、更快、更有效的數據存儲設備鋪平了道路，有助于制造更高效的磁性記憶裝置［29］；德國尤利希研究中心首次證實，二維材料中存在“費米弧”這種奇異的電子態(tài)，為新型量子材料及其在新一代自旋電子學和量子計算中的潛在應用奠定了基礎［30］；美國加州大學伯克利分校研究發(fā)現(xiàn)鉻鈷鎳合金（CrCoNi）在- 253.15℃附近斷裂韌性高達459 MPa·m1／2，是迄今最高的堅韌度，隨著溫度下降，堅硬度和延展性反而會提升，有望在深空等低溫領域發(fā)揮作用［31］；美國麻省理工學院深入證實了立方砷化硼具有電子和空穴的高遷移率，表明其具備理想半導體所需的主要品質，有潛力成為新一代半導體材料［32］；美國普渡大學利用電子自旋量子位作為原子尺度的傳感器，在超薄六方氮化硼中，首次對核自旋量子位進行了實驗控制，有助于實現(xiàn)原子尺度層面的核磁共振光譜等應用［33］。

4）新材料引發(fā)器件形態(tài)持續(xù)迭代革新。材料結構設計與性質調控不斷深入，推動電子器件朝著輕薄化、小型化、多功能化等方向不斷邁進。美國內布拉斯加大學林肯分校和布法羅大學利用石墨烯及氧化鉻研制出全球首個通過電子自旋來表示數字信號的磁電晶體管，不僅將能耗降低5%，還可將存儲數據所需的晶體管數量減少75%，進一步促進設備小型化［34］；美國得克薩斯大學奧斯汀分?；诨迳系谋酉嘧儾牧?，創(chuàng)制出首臺光學納米電機，寬度不及100 nm，可在光照下進行旋轉，可作為無燃料、無齒輪的發(fā)動機，將光能轉化為機械能，用于各種固態(tài)微納機電系統(tǒng)［35］；瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院利用轉角石墨烯制造出首個超導量子干涉裝置，拓展了石墨烯的應用范圍［36］；美國勞倫斯伯克利實驗室通過使用厚度只有25 nm 的BaTiO3薄膜，開發(fā)出新型超薄電容器，可以在50～100 mV 甚至更低的電壓下工作，可極大降低計算機芯片運行時多需的能耗，使高能效微芯片成為可能［37］；美國賓夕法尼亞州立大學利用MXene／硅樹脂彈性體和銀納米線-石墨烯泡沫納米復合材料制成了一種可完全拉伸的摩擦納米發(fā)電機，表現(xiàn)出高輸出性能，能夠在各種極端變形條件下穩(wěn)定輸出并維持數小時［38］。

5）推進戰(zhàn)略性原材料資源提取回收與替代。戰(zhàn)略性原材料資源對新材料可持續(xù)發(fā)展的意義重大，原材料提取新工藝、循環(huán)利用和替代研究受到重視。美國國防部先進研究計劃局啟動稀土生物開采研究，利用微生物和生物分子工程相關技術，開發(fā)稀土資源分離與提純方法，以有效利用稀土資源，填補供應鏈缺口［39］；圍繞利用非常規(guī)資源進行稀土元素和關鍵礦物提取與分離，美國萊斯大學利用粉煤灰、鋁土礦殘渣和電子廢棄物，通過閃光焦耳加熱工藝，提取有價值的稀土元素，而且產量足夠高［40］；美國艾姆斯實驗室基于稀土數據庫開發(fā)出機器學習模型用于評估新發(fā)現(xiàn)的稀土化合物的穩(wěn)定性，并開展磁性預測、制造工藝過程控制和力學行為優(yōu)化等［41］；美國能源部關鍵材料研究所開發(fā)出一種基于微結構工程制造錳鉍（MnBi）磁體的新方法，向著不使用稀土制備緊湊、節(jié)能電機邁出了新的一步［42］。

4 啟示與建議

我國在新材料領域的發(fā)展中，存在著突出短板，一些關鍵性、戰(zhàn)略性材料依舊受制于人，“卡脖子”現(xiàn)象嚴重。為滿足新一代信息、能源、生物、制造等領域對新材料的需求，需切實加強材料科學與應用過程中基礎科學問題的研究，不斷深化理解材料結構與性能之間的關系，不斷突破現(xiàn)有材料性能極限及功能制約，引領新材料領域不斷實現(xiàn)原始創(chuàng)新和重大突破。

1）加強新材料前沿方向基礎研究。隨著我國科研水平的不斷提升，對物質本質的理解逐步深入，對新材料科技問題的研究更加前沿，相關探索工作正逐漸步入“無人區(qū)”，這意味著需要承擔更大的試錯成本，但也存在著取得先發(fā)優(yōu)勢的機遇。同時，還需繼續(xù)瞄準世界科技前沿方向，前瞻布局基礎研究，重視原始創(chuàng)新和顛覆性技術創(chuàng)新，搶占未來新材料競爭的制高點。此外，還需支持金屬、玻璃和陶瓷等傳統(tǒng)材料領域的基礎研究，持續(xù)提升材料性能，支撐高端化應用。

2）重視以問題為導向的新材料開發(fā)。我國新材料領域的基礎研究需以原創(chuàng)性思想、變革性實踐、突破性進展、標志性成果為導向，關注從國家重大戰(zhàn)略需求、經濟發(fā)展主戰(zhàn)場中提煉出核心關鍵問題，強化以應用目標為導向的材料應用基礎研究，努力在包括基礎材料在內的多種底層技術上實現(xiàn)更多“從0 到1”的原創(chuàng)性突破。建議關注的問題包括：極端環(huán)境下材料與結構力學、后摩爾時代半導體能耗邊界與速度極限、無機／有機—微生物相互作用機理等。

3）加強新材料基礎研究的組織協(xié)同。推動政府部門、大學、科研機構、企業(yè)等創(chuàng)新主體之間搭建協(xié)同合作網絡，共同解決新材料基礎研究的原理性、機理性共性問題。重視并推進材料創(chuàng)新研發(fā)范式變革，有效利用機器學習、材料基因組等數字技術搭建“數據驅動型”新材料研發(fā)示范平臺，建設理論模擬數據庫和結構數據庫等，建立存儲、利用材料數據的全流程處理標準等，推動產學研用數據協(xié)同化發(fā)展。