萬 勇 馮瑞華 姜 山 黃 健

（中國科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心，武漢 430071）

材料是新一代高新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是新工業(yè)革命的物質(zhì)保障。新材料技術(shù)與納米技術(shù)、生物技術(shù)、信息技術(shù)相互融合，結(jié)構(gòu)功能一體化、功能材料智能化等發(fā)展趨勢日趨顯現(xiàn)。世界各國紛紛在新材料領(lǐng)域制定出臺相應(yīng)的戰(zhàn)略規(guī)劃，竭力搶占新材料產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)。目前，發(fā)達(dá)國家仍在國際新材料產(chǎn)業(yè)中占據(jù)領(lǐng)先地位，世界上新材料科技及行業(yè)龍頭主要集中在美國、歐洲和日本。美國仍然是新材料領(lǐng)域全面領(lǐng)先的國家，歐盟和日本等則各自擁有自己優(yōu)勢方向。在基礎(chǔ)及應(yīng)用研究方面，從設(shè)計(jì)開發(fā)、材料制備、性質(zhì)表征、成果應(yīng)用的鏈條看，近年來材料領(lǐng)域取得了一系列原創(chuàng)性成果和先進(jìn)適用技術(shù)，以增材制造為代表的先進(jìn)制造技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了眾多令人振奮的突破。

1 世界主要發(fā)達(dá)國家重要戰(zhàn)略行動(dòng)

1.1 美國：重視基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，關(guān)注高性能結(jié)構(gòu)材料

美國在材料領(lǐng)域的目標(biāo)是保持全球領(lǐng)先地位，并支撐信息技術(shù)、生命科學(xué)、納米技術(shù)和環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，滿足國防、能源、電子信息等對材料的需求。以能源部、國防部、商務(wù)部（國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）、國家科學(xué)基金會(huì)和國家航空航天局等機(jī)構(gòu)的大型研發(fā)計(jì)劃為牽引，推動(dòng)高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在材料領(lǐng)域的研發(fā)工作。

2011年起，美國開始實(shí)施“材料基因組計(jì)劃”，旨在通過以比現(xiàn)在快一倍的速度以及足夠低的成本，加快新材料從發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新、制造到商業(yè)化的步伐?，F(xiàn)已有六家聯(lián)邦機(jī)構(gòu)參與，開創(chuàng)性研究的資助逾4億美元，合作伙伴遍及產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界［1］。2012年美國政府啟動(dòng)國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)已建成14家研究所，在材料領(lǐng)域涉及輕質(zhì)金屬、復(fù)合材料、纖維紡織、可持續(xù)材料制造等［2］。2018年7月，美國白宮發(fā)布“2020財(cái)年行政機(jī)構(gòu)研發(fā)預(yù)算優(yōu)先事項(xiàng)”備忘錄，提出要開發(fā)先進(jìn)材料及相關(guān)加工技術(shù)，包括高性能材料、關(guān)鍵材料和增材制造等［3］。

美國制造業(yè)前瞻聯(lián)盟MForesight是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）會(huì)同國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）牽頭組建的制造領(lǐng)域高端智庫。2018年4月和9月，該智庫先后發(fā)布主題為超材料和高熵合金的“通向工業(yè)競爭之路”系列報(bào)告，建議設(shè)立全國性超材料制造研究計(jì)劃，加強(qiáng)對關(guān)鍵原料的支持，建設(shè)超材料制造卓越中心［4］；同時(shí)，通過投資推動(dòng)高熵合金制造關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)化研究，建立國家測試中心及中央數(shù)據(jù)庫［5］。

1.2 歐盟及其成員國：聚焦主要方向，發(fā)布重點(diǎn)戰(zhàn)略

歐盟及其成員國在科技發(fā)展戰(zhàn)略中，盡管各自側(cè)重點(diǎn)有所差異，但都把生命科學(xué)與生命技術(shù)、信息通信技術(shù)、納米技術(shù)、能源等作為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略領(lǐng)域，材料在其中均占有重要地位。

2011年，包括先進(jìn)材料在內(nèi)的六大技術(shù)被確定為歐盟工業(yè)的關(guān)鍵使能技術(shù)（Key Enabling Technologies，KETs）。而加強(qiáng)六大關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新，確保世界領(lǐng)先水平，關(guān)系到歐盟工業(yè)的生存和未來競爭力。2018年4月，歐盟確定了新的關(guān)鍵使能技術(shù)，先進(jìn)材料依舊在列［6］。歐盟“未來和新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”是一項(xiàng)長期的科研扶持項(xiàng)目，是歐盟科技發(fā)展扶持政策的重要組成部分。石墨烯作為首批入選的兩個(gè)領(lǐng)域之一，設(shè)有13個(gè)重點(diǎn)研發(fā)方向，獲得持續(xù)10年總共10億歐元的資助［7］。2018年6月，歐盟委員會(huì)發(fā)布了2021—2027年科研資助框架“地平線歐洲”的實(shí)施方案提案。作為“地平線2020”的接續(xù)，該計(jì)劃的臨時(shí)預(yù)算約1000億歐元，再創(chuàng)新高。先進(jìn)材料位列“數(shù)字與工業(yè)”涉及的九大領(lǐng)域之一，重點(diǎn)關(guān)注的是具有新特性和新功能的材料設(shè)計(jì)（包括塑料、生物材料、納米材料、二維材料、智能材料和復(fù)合材料等）［8］。

德國政府近年來推出了高技術(shù)戰(zhàn)略、工業(yè)4.0等來引領(lǐng)材料技術(shù)的發(fā)展。如2018年9月出臺的《高科技戰(zhàn)略2025》涵蓋7大重點(diǎn)領(lǐng)域和12項(xiàng)任務(wù)，為德國未來七年高科技創(chuàng)新制定了目標(biāo)。該戰(zhàn)略在涉及材料的部分指出，將通過3D打印或有效利用資源，智能地設(shè)計(jì)和使用材料［9］。2019年2月，德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)與能源部發(fā)布《國家工業(yè)戰(zhàn)略2030》草案，旨在有針對性地扶持重點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域，提高工業(yè)產(chǎn)值，保證德國工業(yè)在歐洲乃至全球的競爭力。與材料相關(guān)的鋼鐵銅鋁、化工、增材制造（3D打?。┑仁畟€(gè)工業(yè)領(lǐng)域被列為“關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域”［10］。

英國作為老牌工業(yè)國家，近年來頒布的新版工業(yè)戰(zhàn)略、量子技術(shù)戰(zhàn)略和高價(jià)值制造等政策規(guī)劃都把材料、納米及制造等作為重大技術(shù)進(jìn)行大力發(fā)展。以石墨烯為例，英國財(cái)政大臣曾提出，石墨烯不僅要“在英國發(fā)現(xiàn)”，更要實(shí)現(xiàn)“在英國制造”，并先后在曼徹斯特大學(xué)建起了石墨烯工程創(chuàng)新中心和國家石墨烯研究院［11］。

1.3 日本：每年發(fā)布《制造業(yè)白皮書》，材料發(fā)展以產(chǎn)業(yè)化為導(dǎo)向

自本世紀(jì)初期開始，日本通常在每年的6月前后發(fā)布《制造業(yè)白皮書》，其內(nèi)容非常豐富，是深入了解日本制造業(yè)的參考資料。2017年6月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省發(fā)布的《制造業(yè)白皮書2017》提出要維持并提升日本制造業(yè)本土化，日企已開始放緩在中國設(shè)立生產(chǎn)基地，從中國轉(zhuǎn)移至東盟以及部分回流日本的趨勢較為明顯［12］。2018年5月發(fā)布的《制造業(yè)白皮書2018》認(rèn)為，當(dāng)前是一個(gè)“非連續(xù)創(chuàng)新”的階段，可通過自動(dòng)化與數(shù)字化融合的解決方案來獲取更高的附加值。新版的白皮書還強(qiáng)調(diào)了“互聯(lián)工業(yè)”（Connected Industries）的概念，突出“工業(yè)”的核心地位，并作為日本制造的追求目標(biāo)［13］。

日本內(nèi)閣政府在歷期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃中，都會(huì)涉及材料的發(fā)展。如《第五期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃（2015—2020）》提出打造“超智能社會(huì)（5.0社會(huì)）”，優(yōu)先推進(jìn)包括“綜合型材料開發(fā)系統(tǒng)”在內(nèi)的11項(xiàng)系統(tǒng)建設(shè)工作，圍繞機(jī)器人、傳感器、生物技術(shù)、納米技術(shù)和材料、光量子等創(chuàng)造新價(jià)值的核心優(yōu)勢技術(shù)，并設(shè)定富有挑戰(zhàn)性的中長期發(fā)展目標(biāo)［14］。日本材料產(chǎn)業(yè)以工業(yè)政策為導(dǎo)向，目標(biāo)是占有世界市場，因而選取的重點(diǎn)是市場潛力巨大和附加值高的新材料領(lǐng)域，爭取盡快專業(yè)化、工業(yè)化，并在先進(jìn)鋼鐵、電子信息材料、陶瓷材料和碳纖維等領(lǐng)域占據(jù)國際領(lǐng)先地位。

2 重要研究進(jìn)展

2.1 機(jī)器學(xué)習(xí)助力材料設(shè)計(jì)開發(fā)

美國能源部利用擁有的超快科學(xué)裝置，資助材料、化學(xué)等領(lǐng)域的研究，在原子和分子尺度上，通過更好地逐步觀察和控制物質(zhì)行為，加速新材料和化學(xué)過程的發(fā)現(xiàn)［15，16］；還通過資助相關(guān)軟件開發(fā)，推動(dòng)基于計(jì)算建模的化學(xué)過程設(shè)計(jì)［17］。英國法拉第電池研究所引入超級計(jì)算機(jī)，無需制造大量原型來測試每種新材料或者電池組件，就能提升電池研究項(xiàng)目的研發(fā)速度［18］。哈佛大學(xué)開發(fā)了一種基于量子力學(xué)方程的算法，根據(jù)晶體化學(xué)元素預(yù)測材料的電子傳輸特性，無需實(shí)驗(yàn)輔助，即可在幾個(gè)月內(nèi)發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化熱電材料［19］。美國休斯頓大學(xué)設(shè)計(jì)出新的算法，加速尋找用于LED照明的高效熒光材料，使LED更高效、色彩質(zhì)量更佳［20］。

2.2 新型材料不斷涌現(xiàn)

常見的鈣鈦礦材料主要有無機(jī)和有機(jī)無機(jī)雜化兩類，均含有金屬元素，增加了加工、制備的困難。東南大學(xué)等機(jī)構(gòu)利用帶電分子基團(tuán)取代無機(jī)離子，首次制備得到全有機(jī)的無金屬鈣鈦礦鐵電體，性能可與傳統(tǒng)無機(jī)鈣鈦礦材料相媲美，為鈣鈦礦家族增添了新成員［21］。美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種由90%鉑金和10%黃金組成的耐磨新材料，堪稱目前最耐磨的金屬合金，比高強(qiáng)度鋼耐用100倍，與自然界鉆石及藍(lán)寶石等的耐磨度處于同一級別［22］。中國科學(xué)院金屬研究所與東京大學(xué)、重慶大學(xué)等合作，將掃描透射電子顯微技術(shù)與第一性原理理論計(jì)算相結(jié)合，在薄膜陶瓷材料中發(fā)現(xiàn)了區(qū)別于晶體、準(zhǔn)晶體和非晶體的新結(jié)構(gòu)：一維有序結(jié)構(gòu)（一維有序晶體），更新并深化了人們對固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識［23］。美國馬里蘭大學(xué)通過去除原生木材的木質(zhì)素，并在100℃進(jìn)行熱壓處理，制得的超級木頭拉伸強(qiáng)度達(dá)587 MPa，可與鋼材媲美，其比拉伸強(qiáng)度高達(dá)451 MPa cm3/g，超過幾乎全部的金屬，展現(xiàn)出未來結(jié)構(gòu)材料之星的巨大潛力［24］。

2.3 材料性質(zhì)研究取得眾多突破

在各種材料中，很多屬性往往由于相互沖突而無法兼顧。2018年，研究人員在金剛石、碳纖維、合金等領(lǐng)域取得了突破，實(shí)現(xiàn)從“不可兼得”到“可兼得”的轉(zhuǎn)變。香港城市大學(xué)與美國麻省理工學(xué)院、新加坡南洋理工大學(xué)等合作研制出一種單晶納米金剛石，兼具高彈性與高強(qiáng)度：彈性形變可達(dá)9%，強(qiáng)度接近理論極限的89～98GPa，而一般的體相金剛石拉伸強(qiáng)度不足10 GPa［25］。市場對碳纖維的需求是能同時(shí)具有更高的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量。日本東麗工業(yè)株式會(huì)社開發(fā)出碳纖維M40X，其拉伸強(qiáng)度在M40J的基礎(chǔ)上提升了約30%，達(dá)到5.7 GPa，拉伸模量則保持不變（377 GPa）。這是世界范圍內(nèi)首次以這一水平量產(chǎn)兼顧兩種功能的碳纖維［26］。北京科技大學(xué)以等原子比TiZrHfNb高熵合金為模型合金，通過添加適量的氧，發(fā)現(xiàn)間隙原子在合金中還有一種尚未被發(fā)現(xiàn)的存在狀態(tài)，不僅能提高合金強(qiáng)度，還可以大幅提高合金塑性，打破了對間隙固溶強(qiáng)化的傳統(tǒng)認(rèn)知［27］。

材料性質(zhì)研究還有一些典型進(jìn)展。實(shí)現(xiàn)自旋構(gòu)型與材料結(jié)構(gòu)的原子尺度協(xié)同定量表征，是理解、預(yù)測與調(diào)控磁性材料物理性質(zhì)的關(guān)鍵。清華大學(xué)與德國、日本機(jī)構(gòu)合作，應(yīng)用色差校正透射電子顯微學(xué)技術(shù)，在國際上首次通過實(shí)驗(yàn)手段獲得了材料內(nèi)部原子面分辨的磁圓二色譜，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量計(jì)算出每一層原子面原子的軌道自旋磁矩比［28］。美國麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和日本國立材料科學(xué)研究所組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層石墨烯以特定的1.1°角度旋轉(zhuǎn)扭曲在一起時(shí)，在電場作用下會(huì)展現(xiàn)出非常規(guī)超導(dǎo)性質(zhì)，這意味著可通過簡單方式實(shí)現(xiàn)絕緣體與超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變［29］。中科院物理所與合作者利用極低溫-強(qiáng)磁場-掃描探針顯微鏡聯(lián)合系統(tǒng)，首次于相對高的溫度下，在鐵基超導(dǎo)體FeTe0.55Se0.45中觀察到純的馬約拉納束縛態(tài)，這預(yù)示著其他多能帶高溫超導(dǎo)體也可能存在馬約拉納任意子，為馬約拉納物理研究開辟了新的方向［30］。

2.4 新型材料助推器件發(fā)展

減少功耗是當(dāng)前集成電路發(fā)展的主要趨勢，其中最有效的途徑即為降低工作電壓。北京大學(xué)將具有特定摻雜的石墨烯作為冷電子源，碳納米管作為有源溝道，研制出新型狄拉克源場效應(yīng)晶體管，達(dá)到了國際半導(dǎo)體發(fā)展路線圖對相關(guān)器件實(shí)用化的標(biāo)準(zhǔn)要求，有望將集成電路工作電壓降到0.5 V甚至更低，為3 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)提供解決方案［31］。調(diào)制器是光電子行業(yè)的重要組成部分，鈮酸鋰是制備調(diào)制器的最佳材料之一，哈佛大學(xué)、香港城市大學(xué)等利用電子束刻蝕和Ar+基反應(yīng)離子刻蝕等先進(jìn)納米制造方法，克服了傳統(tǒng)化學(xué)刻蝕不能形成光滑表面的弊端，并改善了鈮酸鋰化學(xué)惰性限制，研制出的微型片上鈮酸鋰調(diào)制器體積更小、運(yùn)行效率更高、數(shù)據(jù)傳輸速度更快，與當(dāng)前CMOS電路兼容集成，且無需用到電子放大器［32］。加拿大阿爾伯塔大學(xué)利用原子級電路制造技術(shù)，快速去除或替換單個(gè)氫原子，使得存儲器可被重寫，研制出迄今為止儲存密度最高、可在室溫工作的固態(tài)存儲器，存儲能力比當(dāng)前計(jì)算機(jī)存儲設(shè)備提高了1000倍，可在25美分硬幣大小的表面存儲4500萬首歌曲［33］。

2.5 增材制造技術(shù)發(fā)展日新月異

借助新材料、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，以增材制造（3D打?。榇淼南冗M(jìn)制造技術(shù)取得大量新的進(jìn)展，多材料、多工藝成為重要方向。美國南加州大學(xué)利用3D打印構(gòu)建出能阻擋聲波和機(jī)械振動(dòng)的特殊超材料，可通過磁場遠(yuǎn)程控制開關(guān)，有望用于噪聲消除、振動(dòng)控制和聲波隱形［34］。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制出一種由導(dǎo)電材料和紙張制成的紙質(zhì)機(jī)器人，當(dāng)施加電流時(shí)可以折疊或展開［35］。美國加州大學(xué)圣克魯茲分校、勞倫斯利佛莫爾國家實(shí)驗(yàn)室利用可印刷石墨烯氣凝膠構(gòu)建裝有贗電容材料的多孔三維支架，研制出的超級電容器具有當(dāng)前最高的面積電容（每單位電極表面積存儲的電荷），質(zhì)量負(fù)載提升到超過100 mg MnO2/cm2的記錄水平且不影響性能，而商用設(shè)備的常規(guī)水平約為 10 mg/cm2［36］。

3 對我國的啟示與建議

3.1 從基礎(chǔ)入手，資助前瞻性研究工作

美國、歐盟等歷來重視包括材料在內(nèi)的基礎(chǔ)研究工作，并注重與應(yīng)用相結(jié)合。我們應(yīng)根據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀和國家戰(zhàn)略需求，遴選出需要重點(diǎn)支持的材料門類，重視原始創(chuàng)新和顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，加強(qiáng)前瞻基礎(chǔ)研究與應(yīng)用創(chuàng)新，搶占未來先進(jìn)材料競爭的制高點(diǎn)。根據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀和國家需求，遴選出需要重點(diǎn)支持的材料門類，如量子材料、二維材料等新興前沿方向，以及合金、陶瓷等傳統(tǒng)材料的升級，部署相關(guān)研究計(jì)劃和項(xiàng)目，促進(jìn)我國重點(diǎn)前沿新材料的發(fā)展。

3.2 從路徑著眼，開展相關(guān)領(lǐng)域方向的路線圖繪制

高質(zhì)量的發(fā)展路線圖是獲取長期商業(yè)成功的基礎(chǔ)，也是加速部署先進(jìn)材料與制造技術(shù)的關(guān)鍵。材料領(lǐng)域廣而雜，更需要凝聚創(chuàng)新方向和目標(biāo)，分階段刻畫核心科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)問題。我們應(yīng)注重需求導(dǎo)向和問題導(dǎo)向，梳理材料與制造領(lǐng)域的科技布局重點(diǎn)、發(fā)展路徑和技術(shù)演進(jìn)等，開展前瞻性戰(zhàn)略研究，發(fā)揮引領(lǐng)作用。

3.3 從共性切入，重視關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

關(guān)鍵共性技術(shù)是材料創(chuàng)新發(fā)展的重要支撐，其研發(fā)成果可共享，并產(chǎn)生深刻影響。依托科技進(jìn)步使關(guān)鍵共性技術(shù)取得突破，打破一些重點(diǎn)領(lǐng)域制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸，推動(dòng)材料與制造技術(shù)水平躋身世界先進(jìn)行列。同時(shí)，集聚科研院所、大中小企業(yè)等多方力量，發(fā)展具有技術(shù)優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)集群?！爸圃鞓I(yè)美國”網(wǎng)絡(luò)和英國高價(jià)值制造中心是發(fā)展產(chǎn)業(yè)集群的典型案例，其工作組織模式等經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。