全球新材料领域基础研究发展态势及对我国的启示

新材料是新一轮科技革命和产业变革的先导与基石，对于推动技术创新、助力产业转型升级和维护国家安全等具有重要的支撑及保障作用，是全球经济和科技竞争的战略制高点。本文梳理了近年来新材料领域领先国家的战略布局与政策动向，总结了新材料科技发展的趋势，并通过选取材料领域设计与模拟、制备与加工、性能表征、器件制造、循环利用等热点及前沿方向，形成从“料”到“材”再到“器”的创新发展链条，列举了主要国家取得的部分重要进展。最后，针对发达国家/地区在新材料领域的战略布局、发展态势和研究动向，从重视基础研究、注重研发范式变革、聚焦重点领域新材料的支撑性作用等方面提出了相关建议，以期助力我国新材料科技领域的创新发展。

“十四五”及今后很长一段时期，是我国构建现代化产业体系、推动制造业高质量发展的关键时期。实现制造强国目标，离不开材料的支撑与保障作用。当前，新材料领域已成为全球经济和科技竞争的战略焦点之一，美国、欧盟、英国和日本等发达经济体为巩固其优势主导地位，不断出台战略政策措施，并实施相应策略，加大新材料领域的研发及应用投入力度，推动该领域跨越式发展，在新材料的模拟设计、合成制备方法和性能功能突破等基础研究方面，通过精准设计并创制新材料，高通量、多维度、多尺度地对材料进行表征及解析，发展材料物理与化学性质的精准调控原理、方法和技术等，并取得了众多重要进展。

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典型国家新材料领域基础研究布局

1.1 美国：聚焦优先方向，更新多项规划

美国历来重视新材料的研发，并进行了全方位布局，目标是保持其在新材料领域的全球领先地位。并支撑信息技术、生命科学、环境科学和纳米技术等的发展，满足其他行业领域对新材料的需求。2019年2月，美国国家科学院发布《材料研究前沿——十年调查报告》（Frontiers of Materials Research: A Decadal Survey），回顾了之前十年美国材料研究的进展和成就以及材料研究领域的变化；分析了2020—2030年间的投资机遇；阐述了材料研究对新兴技术、国家需求和科学的已有的和预期的影响；展望了十年间可能面临的挑战，并提出了关键政策建议。报告提出的研究热点包括：金属材料，半导体及其他电子材料，陶瓷、玻璃、复合材料和杂化材料，构筑材料与超材料，以及能源、航空航天、地面交通等其他行业需求的材料。

2021年末，指导美国材料领域科技发展的两大计划——材料基因组计划（Materials Genome Initiative，MGI）和国家纳米技术计划（National Nanotechnology Initiative，NNI）先后发布新版战略规划，提出了之后五年的发展目标。新的《材料基因组计划战略规划》提出材料创新基础设施、材料数据和人员培养三个目标，尽管未明确提及具体的材料研究方向，但更加强调材料基因组计划对于推动材料创新，尤其是推动新材料走向应用方面的潜力。《国家纳米技术计划战略规划》对2016年版本做出较大调整，在发展愿景上，围绕技术与产业变革，将“引发”调整为“已经发生”，反映出美国科技界对科技革命态势的最新判断；在发展目标上，继续关注开展技术研发、推进商业化、加强基础设施建设和负责任发展等方向，并将公众参与和劳动力培养的相关内容单独列出，体现了对人才培养的重视。

1.2 欧盟：推动数字化绿色化发展

欧盟期望在材料科学与工程的多个研究方向成为国际领导者，将新材料列为关键使能技术之一，在尽可能多的新材料技术中争取世界领先。欧盟重视环境友好，当前正在实施的“地平线欧洲”框架计划关注石墨烯、绿色与可持续材料和工业材料等的研发，助力数字与绿色转型。2022年12月，欧洲材料联盟组织发布《材料2030路线图》，提出推动材料开发数字化，加速材料设计与开发；加强新材料加工和放大的支撑活动等行动建议。路线图围绕九大类材料创新市场，详细阐述了面临的研发挑战与优先事项以及预期的社会经济效益。按照应用领域，这九类材料分别是：健康与医疗材料、可持续建筑材料、新能源材料、可持续运输材料、家庭及个人护理材料、可持续包装材料、可持续农业材料、可持续纺织品材料和电子电器材料等。

1.3 英国：建设关键技术集群

作为新材料领域的老牌优势国家，英国新材料科技发展策略是利用世界先进材料技术助推可持续发展。英国在新材料的发现和早期研究方面具有世界领先的学术水平，其高校在材料科学、新材料发明与发现以及与工业界合作等方面有着长久优势。英国新材料领域主要研究所之一的亨利·罗伊斯研究所认为，“材料4.0与信息学”（Materials 4.0 and Informatics）将有望发挥更大作用，并结合数字和物理孪生进行高通量制造、测试及表征。2021年7月，英国政府发布的《英国创新战略：创新引领未来》报告将“新材料与制造”确定为未来助推英国经济的七项关键技术集群之一，希望实现新材料的批量化制造，并将安全性评估与可持续发展融入材料的设计与创新。该报告将超材料、二维材料、智能仿生自修复材料、复合材料结构与涂层技术等列为有发展潜力的机遇方向。

1.4 日本：注重新材料的实用性和数据基础能力

日本向来重视新材料技术开发，研发注重实用性，并强调材料与环境、资源与能源等的协调发展，所选取的重点是市场潜力巨大和附加值高的新材料方向，并希望尽快实现专业化、产业化。日本在碳纤维、电子材料、特种钢、陶瓷材料等领域处于国际领先地位，并重点开发各类可应用于信息通信、新能源、生物技术等的新材料。2021年4月，日本内阁府发布的《材料创新力强化战略》报告认为，面向未来科学技术和社会经济发展，材料将发挥重要的推动作用；通过创新发展战略能够快速高效解决当前日本材料行业中存在的发展瓶颈与问题。报告提出，应建立以数据为基础的材料创新体系，推动数据驱动型材料研究，以强化日本材料创新能力。围绕材料开发与应用、数据驱动研发、国际竞争力三个维度，报告提出了行动计划方案。其中，“数据驱动研发”是主要举措布局之一，将整合以数据为基础的材料研发平台，构建数据驱动型创新体系。

1.5 中国：材料基础研究日益受到重视

近年来，随着我国科技发展水平的提升和国际环境的变化，原始创新能力成为我国进一步提升国际竞争力的关键要素，基础研究的重要性逐渐得到我国政府的高度重视。2020年1月，科技部等五部门联合印发《加强“从0到1”基础研究工作方案》，面向国家重大需求对关键核心技术中的重大科学问题给予长期支持，其中就包括重点基础材料、先进电子材料、结构与功能材料等方向。

大科学装置与材料研究联系更加紧密，发挥着原始创新“策源地”的作用。近年来，我国多个综合性国家科学中心的大科学装置建设与应用正在提速，这将帮助深入探索材料纳米尺度量子结构、极端条件下物性与物质演变、长期服役性能等，推动材料基础研究从经验摸索向人工设计调控的升级转变，成为探索材料科技前沿和满足国家重大战略需求的“杀手锏”。与此同时，我国各地方政府依托相关高校院所、企业，建设省级实验室，打造“国家实验室预备队”。2018年以来，广东、江苏和浙江先后启动了以材料为关注领域的实验室建设，通过探索新的研究组织模式，加快新材料基础研究和应用转化。

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新材料领域基础研究发展趋势

中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心与科睿唯安每年联合发布的《研究前沿》和《研究前沿热度指数》报告显示，近年来，在化学与材料科学领域，我国研究活跃程度位列全球第一。以2022年为例，我国在该领域排名前三的前沿数量占比为92.31%，研究前沿热度指数是排在第二位的美国的约2.5倍，显示出我国材料科学基础研究的整体实力和影响力处于世界领先位置。报告显示，我国学者近年来在Nature和Science期刊发表的新材料领域相关学术论文逐年增加，涌现出一批具有引领作用的材料基础研究成果。对这些论文进行归类解读可以发现，我国新材料领域基础研究的目标是围绕现有材料的性能极限和功能制约开展突破性研究，为新能源、生物医学、信息技术、高端制造等行业提供满足应用需求的核心材料支撑。因而，材料基础研究的普适性科学问题在于：如何精准地设计和创制新材料？如何更为准确深入地开展材料性能调控与表征解析？材料在走向结构功能一体化的同时，可持续发展面临的资源约束问题如何破解？对这些问题的回复，从一定程度上也正好展现了材料领域基础研究的发展趋势。

材料设计与研发加速向新范式转变

随着超级计算机、机器学习、人工智能、量子计算等先进信息技术的发展，新材料的设计与研发过程正在发生巨变。这些数字化技术在新材料领域不断渗透，影响效应不断提升，显著深化了人们对材料理论基础的认识，大力推动了新材料的遴选、设计和研发。这些信息技术在新材料领域的应用，可大幅缩短新材料的研发周期，显著降低制备成本，实现新材料研发由“经验指导型”向“理论预测+实验验证”的新模式转变。未来，新材料研发将加速向第四范式转变，各类信息技术在新材料开发中的作用将进一步凸显。

新材料制备与表征技术不断发展

以分子、原子为起点开展新材料的合成制备，并在微观尺度上进行成分与结构控制，材料制备合成的新技术、新装备层出不穷，助力新材料向多功能、智能方向发展，将产生体积更小、集成度更高、功能更优异、更加智能的产品。同时，基于同步辐射光源、散裂中子源等大科学装置的成像、谱学和衍射技术，研究人员充分利用其在亮度、空间分辨率、穿透性等方面的优异特性，发展了多种高通量、多维度、多尺度的材料表征技术，并应用于新材料微结构及其演化等的研究，反映了材料表征技术的重要进步，新材料内在机理得到进一步探索。

更加关注能源与资源约束

碳中和、碳达峰为新材料发展带来重大需求，更加重视新材料的绿色发展，在研发、制造到应用等环节更加突出环境友好、成分简约、循环利用。新材料的发展更加依赖战略性原材料资源的使用，并对支撑高端装备制造、国防等作用举足轻重。此外，随着社会经济的发展和科学技术的进步，全生命周期理念渐入人心，短流程制备、稀缺元素替代、近净成形、结构功能一体化和回收技术等日益得到重视。

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新材料领域基础研究的热点方向与研究进展

当前，计算物理理论与方法体系的建立及进展、信息科学技术的飞速进步，使得对新材料的结构开展计算预测及其性能模拟计算成为必要和可能。先进合成与制备技术的突破不仅有效带动了一系列新材料的发展，还能够显著改善现有材料的性能，积极赋能国防和国民经济建设需求。材料力学性能、物理性能和化学性能等与组成、结构的相关性、转换与变化规律等，也一直是研究的热点方向之一。同时，结合材料学科基础分类，本节以新材料设计与模拟、制备与加工、性质表征、器件制造、循环利用等为热点方向，贯穿“设计—制备—表征—应用”的价值链条以及“料要成材、材要成器”的发展脉络，介绍各方向近年来取得的主要进展。

新算法助力新材料筛选及开发

通过数据驱动的机器学习算法建立材料性能预测模型，并应用于材料筛选与新材料开发是近年来的热点之一。美国劳伦斯伯克利实验室利用卷积神经网络分析实验数据，实现对单层二硫化钨缺陷的快速绘制和识别：从利用传统扫描隧道显微镜的23天时间大幅缩短至8小时；美国杜克大学利用密度泛函理论和AFLOW材料数据库进行数据挖掘，探索出28种新型二维材料的化学组成，并具有在电子、磁性和拓扑方面的卓越特性；中国科学技术大学研制出全球首个数据智能驱动的全流程机器化学家，具有更强的化学智能和广泛的化学品开发能力，目前已涵盖光催化与电催化材料、发光分子、光学薄膜材料等。

制备与加工技术

各类外延、沉积和极端条件下制备与加工技术的发展使人们可以获得具有复合功能性质的新材料，推动新材料及其器件向低维化、复合化和材料器件一体化的方向迈进。美国马萨诸塞大学和佐治亚理工学院通过3D打印制作出双相纳米结构高熵合金，具有超高强度和更高的延展性，其强度比传统金属铸件提升了3倍，有望用于生物医学、航空航天等的高性能部件；美国东北大学开发出一种可压铸成复杂零件的全陶瓷材料，比当前的金属更轻薄、更高效，可改变手机及其他无线电部件等电子产品的散热设计和制造；美国普林斯顿大学通过对不同材料进行分层，并制备出超薄的二维覆盖层保护最脆弱的区域免受曝光，成功开发出第一个具有商业可行性的钙钛矿太阳能电池，其使用寿命超过30年。

新材料性质表征研究取得突破

通过高空间分辨、高能量分辨、高时间分辨、原位与外场作用等表征技术，开展新材料基本物理性能、化学性能及其显微结构一体化分析测试表征，可诱导出一些新原理的揭示和新效应的发现。美国麻省理工学院在碘化镍中发现“多铁性”状态，首次证实二维材料可存在多铁特性，为开发更小、更快、更有效的数据存储设备铺平了道路，有助于制造更高效的磁性记忆装置；德国尤利希研究中心首次证实，二维材料中存在“费米弧”这种奇异的电子态，为新型量子材料及其在新一代自旋电子学和量子计算中的潜在应用奠定了基础；美国加州大学伯克利分校研究发现铬钴镍合金（CrCoNi）在-253.15℃附近断裂韧性高达459MPa·m1/2，是迄今最高的坚韧度，随着温度下降，坚硬度和延展性反而会提升，有望在深空等低温领域发挥作用；美国麻省理工学院进一步证实了立方砷化硼具有电子和空穴的高迁移率，表明其具备理想半导体所需的主要品质，有潜力成为新一代半导体材料；美国普渡大学利用电子自旋量子位作为原子尺度的传感器，在超薄六方氮化硼中，首次对核自旋量子位进行了实验控制，有助于实现原子尺度层面的核磁共振光谱等应用。

新材料引发器件形态持续迭代革新

材料结构设计与性质调控不断深入，推动电子器件朝着轻薄化、小型化、多功能化等方向不断迈进。美国内布拉斯加大学林肯分校和布法罗大学利用石墨烯及氧化铬研制出全球首个利用电子自旋来表示数字信号的磁电晶体管，不仅将能耗降低5%，还可将存储数据所需的晶体管数量减少75%，进一步促进设备小型化；美国得克萨斯大学奥斯汀分校基于基板上的薄层相变材料，创制出首台光学纳米电机，宽度不及100nm，可在光照下进行旋转，可作为无燃料、无齿轮的发动机，将光能转化为机械能，用于各种固态微纳机电系统；瑞士苏黎世联邦理工学院利用转角石墨烯制造出首个超导量子干涉装置，拓展了石墨烯的应用范围；劳伦斯伯克利实验室通过使用厚度只有25nm的BaTiO3薄膜，开发出新型超薄电容器，可以在50~100mV甚至更低的电压下工作，可极大降低计算机芯片运行时多需的能耗，使高能效微芯片成为可能；美国宾夕法尼亚州立大学利用MXene/硅树脂弹性体和银纳米线-石墨烯泡沫纳米复合材料制成了一种可完全拉伸的摩擦纳米发电机，表现出高输出性能，能够在各种极端变形条件下稳定输出并维持数小时。

推进战略性原材料资源提取回收与替代

战略性原材料资源对新材料可持续发展的意义重大，原材料提取新工艺、循环利用和替代研究受到重视。美国国防部先进研究计划局启动稀土生物开采研究，利用微生物和生物分子工程相关技术，开发稀土资源分离与提纯方法，以有效利用稀土资源，填补供应链缺口；围绕利用非常规资源进行稀土元素和关键矿物提取与分离，美国莱斯大学利用粉煤灰、铝土矿残渣和电子废弃物，通过闪光焦耳加热工艺，提取有价值的稀土元素，而且产量足够高；美国艾姆斯实验室基于稀土数据库开发出机器学习模型用于评估新发现的稀土化合物的稳定性，并预测其磁性、制造工艺过程控制和力学行为优化等；美国能源部关键材料研究所开发出一种基于微结构工程制造锰铋（MnBi）磁体的新方法，向着不使用稀土制备紧凑、节能电机迈出了新的一步。

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启示与建议

我国在新材料领域的发展中，存在着突出短板，一些关键性、战略性材料依旧受制于人，“卡脖子”现象严重。为满足新一代信息、能源、生物、制造等领域对新材料的需求，需切实加强材料科学与应用过程中基础科学问题的研究，不断深化理解材料结构与性能之间的关系，不断突破现有材料性能极限及功能制约，引领新材料领域不断实现原始创新和重大突破。

加强新材料前沿方向基础研究

随着我国科研水平的不断提升，对物质本质的理解逐步深入，对新材料科技问题的研究更加前沿，相关探索工作正逐渐步入“无人区”，这意味着需要承担更大的试错成本，但也存在着取得先发优势的机遇。同时，还需继续瞄准世界科技前沿方向，前瞻布局基础研究，重视原始创新和颠覆性技术创新，抢占未来新材料竞争的制高点。此外，还需支持金属、玻璃和陶瓷等传统材料领域的基础研究，持续提升材料性能，支撑高端化应用。

重视以问题为导向的新材料开发

我国新材料领域的基础研究需以原创性思想、变革性实践、突破性进展、标志性成果为导向，关注从国家重大战略需求、经济发展主战场中提炼出核心关键问题，强化以应用目标为导向的材料应用基础研究，努力在包括基础材料在内的多种底层技术上实现更多“从0到1”的原创性突破。建议关注的问题包括：极端环境下材料与结构力学、后摩尔时代半导体能耗边界与速度极限、无机/有机—微生物相互作用机理等。

加强新材料基础研究的组织协同

推动政府部门、大学、科研机构、企业等创新主体之间搭建协同合作网络，共同解决新材料基础研究的原理性、机理性共性问题。重视并推进材料创新研发范式变革，有效利用机器学习、材料基因组等数字技术搭建“数据驱动型”新材料研发示范平台，建设理论模拟数据库和结构数据库等，建立存储、利用等材料数据的全流程处理标准等，推动产学研用数据协同化发展。

作者：万勇1、董金鑫1、冯瑞华1、花夏2、黄健1

1 中国科学院武汉文献情报中心

2 华中师范大学信息管理学院

本文转载自微信公众号世界科技研究与发展，原载于《世界科技研究与发展》2023年第7期

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