萬(wàn) 勇 董金鑫 馮瑞華 花 夏 黃 健

（1.中國(guó)科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心，武漢 430071；2.華中師范大學(xué)信息管理學(xué)院，武漢 430079）

“十四五”及今后很長(zhǎng)一段時(shí)期，是我國(guó)構(gòu)建現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系、推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)目標(biāo)，離不開(kāi)材料的支撐與保障作用。當(dāng)前，新材料領(lǐng)域已成為全球經(jīng)濟(jì)和科技競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略焦點(diǎn)之一，美國(guó)、歐盟、英國(guó)和日本等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體為鞏固其優(yōu)勢(shì)主導(dǎo)地位，不斷出臺(tái)戰(zhàn)略政策措施，并實(shí)施相應(yīng)策略，加大新材料領(lǐng)域的研發(fā)及應(yīng)用投入力度，推動(dòng)該領(lǐng)域跨越式發(fā)展；在新材料的模擬設(shè)計(jì)、合成制備方法和性能功能突破等基礎(chǔ)研究方面，通過(guò)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)并創(chuàng)制新材料，高通量、多維度、多尺度地對(duì)材料進(jìn)行表征及解析，發(fā)展材料物理與化學(xué)性質(zhì)的精準(zhǔn)調(diào)控原理、方法和技術(shù)等，取得了眾多重要進(jìn)展［1-4］。

1 主要國(guó)家／地區(qū)新材料基礎(chǔ)研究布局

1.1 美國(guó)：聚焦優(yōu)先方向，更新多項(xiàng)規(guī)劃

美國(guó)歷來(lái)重視新材料的研發(fā)，進(jìn)行了全方位布局，目標(biāo)是保持其在新材料領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位，并支撐信息技術(shù)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和納米技術(shù)等的發(fā)展，滿足其他行業(yè)領(lǐng)域?qū)π虏牧系男枨蟆?019 年2 月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院發(fā)布《材料研究前沿——十年調(diào)查報(bào)告》（Frontiers of Materials Research：A Decadal Survey）［5］，回顧了之前十年美國(guó)材料研究的進(jìn)展和成就以及材料研究領(lǐng)域的變化；分析了2020—2030 年間的投資機(jī)遇；闡述了材料研究對(duì)新興技術(shù)、國(guó)家需求和科學(xué)的已有的和預(yù)期的影響；展望了十年間可能面臨的挑戰(zhàn)，并提出了關(guān)鍵政策建議。報(bào)告提出的研究熱點(diǎn)包括：金屬材料，半導(dǎo)體及其他電子材料，陶瓷、玻璃、復(fù)合材料和雜化材料，構(gòu)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(dǎo)美國(guó)材料領(lǐng)域科技發(fā)展的兩大計(jì)劃——材料基因組計(jì)劃（Materials Genome Initiative，MGI）和國(guó)家納米技術(shù)計(jì)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(biāo)。新的《材料基因組計(jì)劃戰(zhàn)略規(guī)劃》提出材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施、材料數(shù)據(jù)和人員培養(yǎng)三個(gè)目標(biāo)，盡管未明確提及具體的材料研究方向，但更加強(qiáng)調(diào)材料基因組計(jì)劃對(duì)于推動(dòng)材料創(chuàng)新，尤其是推動(dòng)新材料走向應(yīng)用方面的潛力［6］?！秶?guó)家納米技術(shù)計(jì)劃戰(zhàn)略規(guī)劃》對(duì)2016 年版本做出較大調(diào)整，在發(fā)展愿景上，圍繞技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革，將“引發(fā)”調(diào)整為“已經(jīng)發(fā)生”，反映出美國(guó)科技界對(duì)科技革命態(tài)勢(shì)的最新判斷；在發(fā)展目標(biāo)上，繼續(xù)關(guān)注開(kāi)展技術(shù)研發(fā)、推進(jìn)商業(yè)化、加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和負(fù)責(zé)任發(fā)展等方向，并將公眾參與和勞動(dòng)力培養(yǎng)的相關(guān)內(nèi)容單獨(dú)列出，體現(xiàn)了對(duì)人才培養(yǎng)的重視［7］。

1.2 歐盟：推動(dòng)數(shù)字化綠色化發(fā)展

歐盟期望在材料科學(xué)與工程的多個(gè)研究方向成為國(guó)際領(lǐng)導(dǎo)者，將新材料列為關(guān)鍵使能技術(shù)之一，在盡可能多的新材料技術(shù)中爭(zhēng)取世界領(lǐng)先。歐盟重視環(huán)境友好，當(dāng)前正在實(shí)施的“地平線歐洲”框架計(jì)劃關(guān)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(shù)字與綠色轉(zhuǎn)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(dòng)材料開(kāi)發(fā)數(shù)字化，加速材料設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)；加強(qiáng)新材料加工和規(guī)?；闹位顒?dòng)等行動(dòng)建議。路線圖圍繞九大類材料創(chuàng)新市場(chǎng)，詳細(xì)闡述了面臨的研發(fā)挑戰(zhàn)與優(yōu)先事項(xiàng)以及預(yù)期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益［8］。按照應(yīng)用領(lǐng)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(yùn)輸材料、家庭及個(gè)人護(hù)理材料、可持續(xù)包裝材料、可持續(xù)農(nóng)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(guó)：建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)集群

作為新材料領(lǐng)域的老牌優(yōu)勢(shì)國(guó)家，英國(guó)新材料科技發(fā)展策略是利用世界先進(jìn)材料技術(shù)助推可持續(xù)發(fā)展。英國(guó)在新材料的發(fā)現(xiàn)和早期研究方面具有世界領(lǐng)先的學(xué)術(shù)水平，其高校在材料科學(xué)、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(zhǎng)久優(yōu)勢(shì)。英國(guó)新材料領(lǐng)域主要研究所之一的亨利·羅伊斯研究所認(rèn)為，“材料4.0 與信息學(xué)”（Materials 4.0 and Informatics）將有望發(fā)揮更大作用，并結(jié)合數(shù)字和物理孿生進(jìn)行高通量制造、測(cè)試及表征［9］。2021 年7 月，英國(guó)政府發(fā)布的《英國(guó)創(chuàng)新戰(zhàn)略：創(chuàng)新引領(lǐng)未來(lái)》報(bào)告將“新材料與制造”確定為未來(lái)助推英國(guó)經(jīng)濟(jì)的七項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)集群之一，希望實(shí)現(xiàn)新材料的批量化制造，并將安全性評(píng)估與可持續(xù)發(fā)展融入材料的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。該報(bào)告將超材料、二維材料、智能仿生自修復(fù)材料、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與涂層技術(shù)等列為有發(fā)展?jié)摿Φ臋C(jī)遇方向［10］。

1.4 日本：注重新材料的實(shí)用性和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)能力

日本向來(lái)重視新材料技術(shù)開(kāi)發(fā)，研發(fā)注重實(shí)用性，并強(qiáng)調(diào)材料與環(huán)境、資源與能源等的協(xié)調(diào)發(fā)展，所選取的重點(diǎn)是市場(chǎng)潛力巨大和附加值高的新材料方向，并希望盡快實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化。日本在碳纖維、電子材料、特種鋼、陶瓷材料等領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位，并重點(diǎn)開(kāi)發(fā)各類可應(yīng)用于信息通信、新能源、生物技術(shù)等的新材料。2021 年4月，日本內(nèi)閣府發(fā)布的《材料創(chuàng)新力強(qiáng)化戰(zhàn)略》報(bào)告認(rèn)為，面向未來(lái)科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，材料將發(fā)揮重要的推動(dòng)作用；通過(guò)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略能夠快速高效解決當(dāng)前日本材料行業(yè)中存在的發(fā)展瓶頸與問(wèn)題。報(bào)告提出，應(yīng)建立以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的材料創(chuàng)新體系，推動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型材料研究，以強(qiáng)化日本材料創(chuàng)新能力。圍繞材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)研發(fā)、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力三個(gè)維度，報(bào)告提出了行動(dòng)計(jì)劃方案。其中，“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)研發(fā)”是主要舉措布局之一，將整合以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的材料研發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型創(chuàng)新體系［11］。

1.5 中國(guó)：材料基礎(chǔ)研究日益受到重視

近年來(lái)，隨著我國(guó)科技發(fā)展水平的提升和國(guó)際環(huán)境的變化，原始創(chuàng)新能力成為我國(guó)進(jìn)一步提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵要素，基礎(chǔ)研究的重要性逐漸得到我國(guó)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(qiáng)“從0 到1”基礎(chǔ)研究工作方案》，面向國(guó)家重大需求對(duì)關(guān)鍵核心技術(shù)中的重大科學(xué)問(wèn)題給予長(zhǎng)期支持，其中就包括重點(diǎn)基礎(chǔ)材料、先進(jìn)電子材料、結(jié)構(gòu)與功能材料等方向［12］。

大科學(xué)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(lái)，我國(guó)多個(gè)綜合性國(guó)家科學(xué)中心的大科學(xué)裝置建設(shè)與應(yīng)用正在提速，這將幫助深入探索材料納米尺度量子結(jié)構(gòu)、極端條件下物性與物質(zhì)演變、長(zhǎng)期服役性能等，推動(dòng)材料基礎(chǔ)研究從經(jīng)驗(yàn)摸索向人工設(shè)計(jì)調(diào)控的升級(jí)轉(zhuǎn)變，成為探索材料科技前沿和滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的“殺手锏”。與此同時(shí)，我國(guó)各地方政府依托相關(guān)高校院所、企業(yè)，建設(shè)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，打造“國(guó)家實(shí)驗(yàn)室預(yù)備隊(duì)”。2018 年以來(lái)，廣東、江蘇和浙江先后啟動(dòng)了以材料為關(guān)注領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，通過(guò)探索新的研究組織模式，加快新材料基礎(chǔ)研究和應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

2 新材料領(lǐng)域基礎(chǔ)研究發(fā)展趨勢(shì)

中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)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?zé)岫戎笖?shù)》報(bào)告顯示，近年來(lái)，在化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域，我國(guó)研究活躍程度位列全球第一。以2022 年為例，我國(guó)在該領(lǐng)域排名前三的前沿?cái)?shù)量占比為92.31%，研究前沿?zé)岫戎笖?shù)是排在第二位的美國(guó)的約2.5 倍，顯示出我國(guó)材料科學(xué)基礎(chǔ)研究的整體實(shí)力和影響力處于世界領(lǐng)先位置［13-18］。報(bào)告顯示，我國(guó)學(xué)者近年來(lái)在Nature和Science期刊發(fā)表的新材料領(lǐng)域相關(guān)學(xué)術(shù)論文逐年增加，涌現(xiàn)出一批具有引領(lǐng)作用的材料基礎(chǔ)研究成果。對(duì)這些論文進(jìn)行歸類解讀可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)新材料領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的目標(biāo)是圍繞現(xiàn)有材料的性能極限和功能制約開(kāi)展突破性研究，為新能源、生物醫(yī)學(xué)、信息技術(shù)、高端制造等行業(yè)提供滿足應(yīng)用需求的核心材料支撐。因而，材料基礎(chǔ)研究的普適性科學(xué)問(wèn)題在于：如何精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)和創(chuàng)制新材料？如何更為準(zhǔn)確深入地開(kāi)展材料性能調(diào)控與表征解析？材料在走向結(jié)構(gòu)功能一體化的同時(shí)，可持續(xù)發(fā)展面臨的資源約束問(wèn)題如何破解？對(duì)這些問(wèn)題的回復(fù)，從一定程度上也正好展現(xiàn)了材料領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的發(fā)展趨勢(shì)［19，20］。

1）材料設(shè)計(jì)與研發(fā)加速向新范式轉(zhuǎn)變。隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、量子計(jì)算等先進(jìn)信息技術(shù)的發(fā)展，新材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)過(guò)程正在發(fā)生巨變。這些數(shù)字化技術(shù)在新材料領(lǐng)域不斷滲透，影響效應(yīng)不斷提升，顯著深化了人們對(duì)材料理論基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)，大力推動(dòng)了新材料的遴選、設(shè)計(jì)和研發(fā)。這些信息技術(shù)在新材料領(lǐng)域的應(yīng)用，可大幅縮短新材料的研發(fā)周期，顯著降低制備成本，實(shí)現(xiàn)新材料研發(fā)由“經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)型”向“理論預(yù)測(cè)+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的新模式轉(zhuǎn)變。未來(lái)，新材料研發(fā)將加速向第四范式轉(zhuǎn)變，各類信息技術(shù)在新材料開(kāi)發(fā)中的作用將進(jìn)一步凸顯。

2）新材料制備與表征技術(shù)不斷發(fā)展。以分子、原子為起點(diǎn)開(kāi)展新材料的合成制備，并在微觀尺度上進(jìn)行成分與結(jié)構(gòu)控制，材料制備合成的新技術(shù)、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(chǎn)生體積更小、集成度更高、功能更優(yōu)異、更加智能的產(chǎn)品。同時(shí)，基于同步輻射光源、散裂中子源等大科學(xué)裝置的成像、譜學(xué)和衍射技術(shù)，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(shù)，并應(yīng)用于新材料微結(jié)構(gòu)及其演化等的研究，反映了材料表征技術(shù)的重要進(jìn)步，新材料內(nèi)在機(jī)理得到進(jìn)一步探索［21］。

3）更加關(guān)注能源與資源約束。碳中和、碳達(dá)峰為新材料發(fā)展帶來(lái)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(yīng)用等環(huán)節(jié)更加突出環(huán)境友好、成分簡(jiǎn)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(duì)支撐高端裝備制造、國(guó)防等作用舉足輕重。此外，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(jié)構(gòu)功能一體化和回收技術(shù)等日益得到重視［22］。

3 新材料領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)方向與研究進(jìn)展

當(dāng)前，計(jì)算物理理論與方法體系的建立及進(jìn)展、信息科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，使得對(duì)新材料的結(jié)構(gòu)開(kāi)展計(jì)算預(yù)測(cè)及其性能模擬計(jì)算成為必要和可能。先進(jìn)合成與制備技術(shù)的突破不僅有效帶動(dòng)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(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求。材料力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等與組成、結(jié)構(gòu)的相關(guān)性、轉(zhuǎn)換與變化規(guī)律等，也一直是研究的熱點(diǎn)方向之一。同時(shí)，結(jié)合材料學(xué)科基礎(chǔ)分類，本節(jié)以新材料設(shè)計(jì)與模擬、制備與加工、性質(zhì)表征、器件制造、循環(huán)利用等為熱點(diǎn)方向，貫穿“設(shè)計(jì)—制備—表征—應(yīng)用”的價(jià)值鏈條以及“料要成材、材要成器”的發(fā)展脈絡(luò)，介紹各方向近年來(lái)取得的主要進(jìn)展。

1）新算法助力新材料篩選及開(kāi)發(fā)。通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立材料性能預(yù)測(cè)模型，并應(yīng)用于材料篩選與新材料開(kāi)發(fā)是近年來(lái)的熱點(diǎn)之一。美國(guó)勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單層二硫化鎢缺陷的快速繪制和識(shí)別：從利用傳統(tǒng)掃描隧道顯微鏡的23天時(shí)間大幅縮短至8 小時(shí)［23］；美國(guó)杜克大學(xué)利用密度泛函理論和AFLOW 材料數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，探索出28 種新型二維材料的化學(xué)組成，并具有在電子、磁性和拓?fù)浞矫娴淖吭教匦裕?4］；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制出全球首個(gè)數(shù)據(jù)智能驅(qū)動(dòng)的全流程機(jī)器化學(xué)家，具有更強(qiáng)的化學(xué)智能和廣泛的化學(xué)品開(kāi)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(xué)薄膜材料等［25］。

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

3）新材料性質(zhì)表征研究取得突破。通過(guò)高空間分辨、高能量分辨、高時(shí)間分辨、原位與外場(chǎng)作用等表征技術(shù)，開(kāi)展新材料基本物理性能、化學(xué)性能及其顯微結(jié)構(gòu)一體化分析測(cè)試表征，可誘導(dǎo)出一些新原理的揭示和新效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。美國(guó)麻省理工學(xué)院在碘化鎳中發(fā)現(xiàn)“多鐵性”狀態(tài)，首次證實(shí)二維材料可存在多鐵特性，為開(kāi)發(fā)更小、更快、更有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備鋪平了道路，有助于制造更高效的磁性記憶裝置［29］；德國(guó)尤利希研究中心首次證實(shí)，二維材料中存在“費(fèi)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(xué)和量子計(jì)算中的潛在應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)［30］；美國(guó)加州大學(xué)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(dá)459 MPa·m1／2，是迄今最高的堅(jiān)韌度，隨著溫度下降，堅(jiān)硬度和延展性反而會(huì)提升，有望在深空等低溫領(lǐng)域發(fā)揮作用［31］；美國(guó)麻省理工學(xué)院深入證實(shí)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(dǎo)體所需的主要品質(zhì)，有潛力成為新一代半導(dǎo)體材料［32］；美國(guó)普渡大學(xué)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(duì)核自旋量子位進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)控制，有助于實(shí)現(xiàn)原子尺度層面的核磁共振光譜等應(yīng)用［33］。

4）新材料引發(fā)器件形態(tài)持續(xù)迭代革新。材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性質(zhì)調(diào)控不斷深入，推動(dòng)電子器件朝著輕薄化、小型化、多功能化等方向不斷邁進(jìn)。美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校和布法羅大學(xué)利用石墨烯及氧化鉻研制出全球首個(gè)通過(guò)電子自旋來(lái)表示數(shù)字信號(hào)的磁電晶體管，不僅將能耗降低5%，還可將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所需的晶體管數(shù)量減少75%，進(jìn)一步促進(jìn)設(shè)備小型化［34］；美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校基于基板上的薄層相變材料，創(chuàng)制出首臺(tái)光學(xué)納米電機(jī)，寬度不及100 nm，可在光照下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可作為無(wú)燃料、無(wú)齒輪的發(fā)動(dòng)機(jī)，將光能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，用于各種固態(tài)微納機(jī)電系統(tǒng)［35］；瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院利用轉(zhuǎn)角石墨烯制造出首個(gè)超導(dǎo)量子干涉裝置，拓展了石墨烯的應(yīng)用范圍［36］；美國(guó)勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室通過(guò)使用厚度只有25 nm 的BaTiO3薄膜，開(kāi)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(jì)算機(jī)芯片運(yùn)行時(shí)多需的能耗，使高能效微芯片成為可能［37］；美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)利用MXene／硅樹(shù)脂彈性體和銀納米線-石墨烯泡沫納米復(fù)合材料制成了一種可完全拉伸的摩擦納米發(fā)電機(jī)，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?jǐn)?shù)小時(shí)［38］。

5）推進(jìn)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(duì)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(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局啟動(dòng)稀土生物開(kāi)采研究，利用微生物和生物分子工程相關(guān)技術(shù)，開(kāi)發(fā)稀土資源分離與提純方法，以有效利用稀土資源，填補(bǔ)供應(yīng)鏈缺口［39］；圍繞利用非常規(guī)資源進(jìn)行稀土元素和關(guān)鍵礦物提取與分離，美國(guó)萊斯大學(xué)利用粉煤灰、鋁土礦殘?jiān)碗娮訌U棄物，通過(guò)閃光焦耳加熱工藝，提取有價(jià)值的稀土元素，而且產(chǎn)量足夠高［40］；美國(guó)艾姆斯實(shí)驗(yàn)室基于稀土數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)出機(jī)器學(xué)習(xí)模型用于評(píng)估新發(fā)現(xiàn)的稀土化合物的穩(wěn)定性，并開(kāi)展磁性預(yù)測(cè)、制造工藝過(guò)程控制和力學(xué)行為優(yōu)化等［41］；美國(guó)能源部關(guān)鍵材料研究所開(kāi)發(fā)出一種基于微結(jié)構(gòu)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(jī)邁出了新的一步［42］。

4 啟示與建議

我國(guó)在新材料領(lǐng)域的發(fā)展中，存在著突出短板，一些關(guān)鍵性、戰(zhàn)略性材料依舊受制于人，“卡脖子”現(xiàn)象嚴(yán)重。為滿足新一代信息、能源、生物、制造等領(lǐng)域?qū)π虏牧系男枨?，需切?shí)加強(qiáng)材料科學(xué)與應(yīng)用過(guò)程中基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的研究，不斷深化理解材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，不斷突破現(xiàn)有材料性能極限及功能制約，引領(lǐng)新材料領(lǐng)域不斷實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新和重大突破。

1）加強(qiáng)新材料前沿方向基礎(chǔ)研究。隨著我國(guó)科研水平的不斷提升，對(duì)物質(zhì)本質(zhì)的理解逐步深入，對(duì)新材料科技問(wèn)題的研究更加前沿，相關(guān)探索工作正逐漸步入“無(wú)人區(qū)”，這意味著需要承擔(dān)更大的試錯(cuò)成本，但也存在著取得先發(fā)優(yōu)勢(shì)的機(jī)遇。同時(shí)，還需繼續(xù)瞄準(zhǔn)世界科技前沿方向，前瞻布局基礎(chǔ)研究，重視原始創(chuàng)新和顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，搶占未來(lái)新材料競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。此外，還需支持金屬、玻璃和陶瓷等傳統(tǒng)材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，持續(xù)提升材料性能，支撐高端化應(yīng)用。

2）重視以問(wèn)題為導(dǎo)向的新材料開(kāi)發(fā)。我國(guó)新材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究需以原創(chuàng)性思想、變革性實(shí)踐、突破性進(jìn)展、標(biāo)志性成果為導(dǎo)向，關(guān)注從國(guó)家重大戰(zhàn)略需求、經(jīng)濟(jì)發(fā)展主戰(zhàn)場(chǎng)中提煉出核心關(guān)鍵問(wèn)題，強(qiáng)化以應(yīng)用目標(biāo)為導(dǎo)向的材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究，努力在包括基礎(chǔ)材料在內(nèi)的多種底層技術(shù)上實(shí)現(xiàn)更多“從0 到1”的原創(chuàng)性突破。建議關(guān)注的問(wèn)題包括：極端環(huán)境下材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)、后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體能耗邊界與速度極限、無(wú)機(jī)／有機(jī)—微生物相互作用機(jī)理等。

3）加強(qiáng)新材料基礎(chǔ)研究的組織協(xié)同。推動(dòng)政府部門、大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)等創(chuàng)新主體之間搭建協(xié)同合作網(wǎng)絡(luò)，共同解決新材料基礎(chǔ)研究的原理性、機(jī)理性共性問(wèn)題。重視并推進(jìn)材料創(chuàng)新研發(fā)范式變革，有效利用機(jī)器學(xué)習(xí)、材料基因組等數(shù)字技術(shù)搭建“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型”新材料研發(fā)示范平臺(tái)，建設(shè)理論模擬數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)等，建立存儲(chǔ)、利用材料數(shù)據(jù)的全流程處理標(biāo)準(zhǔn)等，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研用數(shù)據(jù)協(xié)同化發(fā)展。