當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，各類技術(shù)、理念和產(chǎn)業(yè)都發(fā)生著日新月異的變化。材料是現(xiàn)代文明的三大支柱之一，新材料被視為新技術(shù)革命的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，其發(fā)展和趨勢將深刻影響時(shí)代的變化。近年來，全球氣候變化造成的影響已經(jīng)涉及人類生活的方方面面，環(huán)境保護(hù)日益成為各國發(fā)展戰(zhàn)略的核心議題，我國也將生態(tài)文明建設(shè)作為“五位一體”總體布局的重要組成部分。同時(shí)，新一輪技術(shù)革命正在如火如荼地進(jìn)行當(dāng)中，隨著制造技術(shù)高速迭代，全球制造業(yè)均面臨著巨大的升級壓力，多個(gè)主要制造業(yè)國家提出了工業(yè)升級戰(zhàn)略，產(chǎn)業(yè)博弈進(jìn)入新時(shí)代。此外，國家安全始終是各個(gè)國家發(fā)展的核心戰(zhàn)略，在總體國家安全觀下國家安全戰(zhàn)略也有了更豐富的內(nèi)涵，面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇，具有重大意義。材料科學(xué)發(fā)展在應(yīng)對全球氣候變化、制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級、國家安全等方面發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵作用。現(xiàn)有的材料研發(fā)速度已經(jīng)難以滿足社會(huì)的發(fā)展需求，材料科學(xué)的研發(fā)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(yīng)運(yùn)而生。本文從全球氣候變化、制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級、國家安全、材料基因工程?4?個(gè)方面，對材料科學(xué)發(fā)展的趨勢進(jìn)行研判和預(yù)測。

全球氣候變化背景下的材料科學(xué)發(fā)展

能源清潔、低碳化趨勢已經(jīng)成為全球共識。《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和?2035?年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中將“持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量”單獨(dú)成章，進(jìn)行規(guī)劃與布局。2021?年《中美應(yīng)對氣候危機(jī)聯(lián)合聲明》再次強(qiáng)調(diào)了氣候變化帶來的風(fēng)險(xiǎn)的緊迫性。在環(huán)境保護(hù)重要性和緊迫性[2]雙重要求下，材料科學(xué)需要通過支撐新能源材料推廣、廢棄物回收和高污染產(chǎn)業(yè)替代?3?個(gè)方面發(fā)揮作用。

新能源材料

發(fā)展環(huán)境友好的新能源材料，其實(shí)質(zhì)是通過環(huán)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：

1. 高性能永磁體材料和具有高光電轉(zhuǎn)化效率的光伏材料等。這些高性能發(fā)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(shù)是發(fā)展速度最快的清潔能源技術(shù)，能夠滿足未來太瓦級的能源需求。

2. 太陽能電池技術(shù)。晶硅電池是成熟度最高的太陽能電池技術(shù)，兼具高效、穩(wěn)定、安全等技術(shù)特點(diǎn)，近年來生產(chǎn)成本大幅下降，市場占有率達(dá)?90%。此外，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池在過去?10?年內(nèi)取得了舉世矚目的發(fā)展。截至目前，小面積鈣鈦礦電池的認(rèn)證效率達(dá)到?25.5%；鈣鈦礦/硅疊層電池的認(rèn)證效率已達(dá)到?29.5%，其成為全球公認(rèn)最具前景的新一代光伏器件。研發(fā)高效率、低成本、穩(wěn)定、安全的太陽能電池是實(shí)現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電廣泛應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。捕獲的能量可直接并網(wǎng)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。

3. 電化學(xué)儲能技術(shù)。近年來，電化學(xué)儲能技術(shù)席卷消費(fèi)類電子市場，并迅速進(jìn)入交通等領(lǐng)域。鋰離子電池能量密度高、電壓高、成本低，是該類技術(shù)的代表；得益于電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，水系鋅基電池等新型儲能電池研發(fā)工作近年來取得快速發(fā)展。此外，可再生能源的氫轉(zhuǎn)化與存儲技術(shù)是我國大力發(fā)展的技術(shù)路線。開發(fā)高容量電極材料、高活性催化劑，進(jìn)一步提升電池穩(wěn)定性、安全性，降低成本是儲能領(lǐng)域的核心。在此基礎(chǔ)上，通過廣泛使用低電阻、低鐵損的非晶變壓器、非晶電機(jī)和軟磁材料等節(jié)能材料，可進(jìn)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(yè)第一大國，在工業(yè)生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的大量廢氣、廢水和固態(tài)廢棄物需要在減量化、資源化、無害化的原則下進(jìn)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(fā)，盡可能延長各類工業(yè)產(chǎn)品的使用壽命，從而減少單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)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(xué)催化等方法，輔以金屬有機(jī)骨架化合物（MOFs）和共價(jià)有機(jī)骨架化合物（COFs）材料的超高比表面積，實(shí)現(xiàn)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(yè)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(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和替換也會(huì)產(chǎn)生大量的建筑業(yè)廢棄物。充分利用工業(yè)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(yè)、電子工業(yè)和汽車工業(yè)因產(chǎn)品升級導(dǎo)致的廢棄產(chǎn)品，如芯片、電池和電子產(chǎn)品，也需開展回收再利用的嘗試和研究，以期形成行業(yè)內(nèi)部關(guān)鍵資源自循環(huán)，減少外部資源重復(fù)投入。

高污染替代

對現(xiàn)有材料生產(chǎn)方式進(jìn)行改進(jìn)，替代高污染、高耗能的生產(chǎn)方式，簡化生產(chǎn)工藝，也是材料科學(xué)可以發(fā)揮作用的一大領(lǐng)域。例如，金屬材料生產(chǎn)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(fù)加熱導(dǎo)致的能量消耗；在非晶粉末生產(chǎn)中采用甩帶破碎工藝，簡化非晶粉末生產(chǎn)過程中的破碎步驟，提升生產(chǎn)效率，可大幅降低生產(chǎn)能耗。

制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級背景下的材料科學(xué)發(fā)展

全球正處于在新的產(chǎn)業(yè)革命時(shí)代，正經(jīng)歷著百年未有之大變局。著力提升國家制造業(yè)基礎(chǔ)是提升綜合國力的重要支點(diǎn)，是“以不變應(yīng)萬變”的主要抓手。世界各國也因此紛紛啟動(dòng)了推進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的相關(guān)計(jì)劃。例如，德國推進(jìn)“工業(yè)?4.0”戰(zhàn)略，美國嘗試工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和“創(chuàng)客”，日本也推出了新的經(jīng)濟(jì)增長戰(zhàn)略以應(yīng)對“第?4?次產(chǎn)業(yè)革命”。我國是全球制造業(yè)第一大國，也是唯一擁有完整產(chǎn)業(yè)鏈的國家，全球制造業(yè)發(fā)展與我國發(fā)展息息相關(guān)。材料科學(xué)是制造業(yè)發(fā)展與進(jìn)步的關(guān)鍵基礎(chǔ)，也是公認(rèn)的制造業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此，在制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級背景下，材料科學(xué)發(fā)展應(yīng)從完成制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和促進(jìn)制造業(yè)結(jié)構(gòu)改革兩個(gè)方面發(fā)揮作用。

制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級

“一代材料一代產(chǎn)業(yè)”，各類產(chǎn)業(yè)升級離不開材料科學(xué)的進(jìn)步。“提升產(chǎn)量、提升質(zhì)量、提升效率、降低成本”的“三提一降”策略是貫穿制造業(yè)發(fā)展始終的產(chǎn)業(yè)核心戰(zhàn)略。材料科學(xué)、新材料和相關(guān)技術(shù)能夠幫助產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)升級。例如，通過突破鎳錳酸鋰正極材料及電池有關(guān)技術(shù)，將目前占主流的動(dòng)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(shí)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(guān)技術(shù)，替換現(xiàn)有鋼材，在不提升其生產(chǎn)成本的前提下，提升其服役性能。

制造業(yè)結(jié)構(gòu)改革

除了在現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)角度不斷提升之外，材料科學(xué)還應(yīng)發(fā)揮基礎(chǔ)科學(xué)的創(chuàng)新源頭作用，改變我國材料工業(yè)和制造業(yè)現(xiàn)有的“大而不強(qiáng)”局面。逐步推動(dòng)增材制造、先進(jìn)熔煉和精密制造等材料相關(guān)的高端制造行業(yè)擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，提升市場占比，形成從原材料到產(chǎn)品的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

基于國家安全的材料科學(xué)發(fā)展

2014?年，習(xí)近平總書記在中央國家安全委員會(huì)第一次全體會(huì)議上，提出了“總體國家安全觀”重大戰(zhàn)略思想。國家安全是國民經(jīng)濟(jì)和民生穩(wěn)步發(fā)展的重要前提。材料科學(xué)的發(fā)展與國防安全、社會(huì)安全和科技安全密切相關(guān)。在《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和?2035?年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中也提出要深入實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，堅(jiān)持自主可控、安全高效，保持制造業(yè)比重基本穩(wěn)定，推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。這是實(shí)現(xiàn)國家產(chǎn)業(yè)安全的重要布局，也是保障社會(huì)安全的關(guān)鍵屏障。材料科學(xué)在核聚變反應(yīng)堆材料、高能激光材料、先進(jìn)通訊材料和航天材料等關(guān)鍵領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展是保障國家科技安全的重要抓手之一。

關(guān)鍵國防安全材料

關(guān)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(fù)合材料等常規(guī)軍用材料外，還包括為滿足戰(zhàn)略轟炸機(jī)、新一代陸基作戰(zhàn)平臺、電磁軌道炮、高超聲速飛行器和新型無人作戰(zhàn)系統(tǒng)等新軍事戰(zhàn)略需求需要著力研發(fā)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(fā)動(dòng)機(jī)材料、輕質(zhì)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(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。例如：輕質(zhì)合金除了需要攻關(guān)新型高性能鎂合金、鋁合金和鈦合金的成分設(shè)計(jì)，對于這些合金的冷熱成型性能和與異質(zhì)合金的連接性能也需要著力攻關(guān)；高性能纖維材料除了要攻關(guān)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(chǎn)工藝外，還需要解決與其配套的環(huán)氧樹脂、聚氨酯、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）等纖維增強(qiáng)復(fù)合材料基體材料的迭代研制，以解決國產(chǎn)高性能纖維應(yīng)用困境。積極發(fā)展軍民共用特種新材料，加快技術(shù)雙向轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，促進(jìn)新材料產(chǎn)業(yè)軍民融合發(fā)展。

關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)安全材料

關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)安全材料主要包括核心基礎(chǔ)零部件、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝和關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，確保在航天裝備、通信裝備、發(fā)電與輸變電設(shè)備、工程機(jī)械、軌道交通裝備、家用電器等與國計(jì)民生密切相關(guān)的產(chǎn)業(yè)中的相關(guān)材料關(guān)鍵技術(shù)能夠擁有相對完整的自主知識產(chǎn)權(quán)，相關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題能夠自主開展攻關(guān)。確保在全球格局發(fā)生深刻變革的過程中，國家的基礎(chǔ)工業(yè)、基本民生和關(guān)鍵領(lǐng)域能夠保持穩(wěn)定并可以自主發(fā)展。國家應(yīng)該以特種金屬功能材料、高性能結(jié)構(gòu)材料、功能性高分子材料、特種無機(jī)非金屬材料和先進(jìn)復(fù)合材料為發(fā)展重點(diǎn)，加快研發(fā)先進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)和裝備，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和體系建設(shè)，突破產(chǎn)業(yè)化制備瓶頸。

關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)堆材料、高能激光材料、先進(jìn)通訊材料及航天材料等處于材料科學(xué)技術(shù)前沿開展研究。需要高度關(guān)注顛覆性新材料對傳統(tǒng)材料的影響，做好超導(dǎo)材料、納米材料、石墨烯、生物基材料等戰(zhàn)略前沿材料提前布局和研制，加快基礎(chǔ)材料升級換代。

材料基因工程對材料研發(fā)的影響

新材料的發(fā)現(xiàn)往往是一個(gè)偶然的過程，研發(fā)周期長、投入大。人們一直夢想可以面向?qū)嶋H需求進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)從依賴于經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)“炒菜式”試錯(cuò)型摸索向有理論依據(jù)的、可計(jì)算預(yù)測的科學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。但是材料的組分-結(jié)構(gòu)-性能之間的關(guān)系不是線性的，而是復(fù)雜多變的，人們直接面對的挑戰(zhàn)就是如何面對眾多的已知信息探索這些關(guān)系模式。目前，還沒有一種理論或?qū)嶒?yàn)?zāi)軌蛉妗?zhǔn)確獲取所有的必需信息。

材料基因工程是材料研發(fā)的最新理念，將從根本上改變材料科學(xué)領(lǐng)域的研發(fā)模式，是材料科學(xué)領(lǐng)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(dòng)流程計(jì)算，探索物質(zhì)或材料最底層要素及其協(xié)同調(diào)控物性的機(jī)制或規(guī)律，進(jìn)行高通量集成計(jì)算與多層次材料設(shè)計(jì)，開展高通量材料組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以及基于高通量計(jì)算與實(shí)驗(yàn)構(gòu)建材料設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫及信息數(shù)據(jù)庫。材料基因工程目標(biāo)在于變革材料研發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)按需設(shè)計(jì)，快速低耗創(chuàng)新發(fā)展新材料。材料基因工程的發(fā)展需要從高通量制備表征方法、高通量仿真計(jì)算方法和人工智能賦能?3?個(gè)方面開展工作。

高通量制備技術(shù)與材料的計(jì)算、預(yù)測環(huán)節(jié)緊密銜接，目前尚處于嘗試發(fā)展階段，如：組合薄膜沉積、多元擴(kuò)散、噴印合成、微反應(yīng)器陣列、激光增材等技術(shù)。一方面需要不斷發(fā)展和完善各類制備手段；另一方面需要強(qiáng)大的技術(shù)支撐給具體材料“量體裁衣”，針對具體制備環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)新方法。相較于傳統(tǒng)的單個(gè)樣品“試錯(cuò)法”而言，高通量合成技術(shù)能夠（連續(xù)）調(diào)控某個(gè)生長變量，如生長溫度、氣氛、壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)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(shù)為代表的低維度材料高通量合成與表征平臺技術(shù)在先進(jìn)功能材料的研發(fā)中不斷涌現(xiàn)新的案例；同時(shí)，多元擴(kuò)散、噴印合成、微反應(yīng)器陣列、激光增材等技術(shù)亦逐漸被應(yīng)用于各類新材料探索中。

快速表征手段包括微區(qū)集成、連續(xù)掃描、多功能疊加、響應(yīng)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(yè)化設(shè)備，這成為制約材料基因計(jì)劃推廣的瓶頸。解決這一問題，一方面要結(jié)合大科學(xué)裝置實(shí)現(xiàn)高通量合成材料制備的微區(qū)結(jié)構(gòu)、成分，以及電子、自旋、晶格等譜學(xué)探測手段；另一方面，要針對電磁學(xué)、熱力學(xué)、電化學(xué)、力學(xué)、催化等材料性能，積極建設(shè)相應(yīng)微區(qū)探測手段，以實(shí)現(xiàn)不同形態(tài)、性能材料的快速篩選。

為實(shí)現(xiàn)高效率的材料設(shè)計(jì)，材料基因工程注重發(fā)展和采用高通量仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)技術(shù)，同時(shí)需保證材料設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用環(huán)節(jié)的一體化進(jìn)程。其中，高通量仿真計(jì)算是指直接面向應(yīng)用需求，以原子為基本單元，基于量子力學(xué)的基本原理，充分利用已有或已知的材料結(jié)構(gòu)／組分及物性等基本知識，有機(jī)結(jié)合大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)手段，自動(dòng)進(jìn)行智能化的材料設(shè)計(jì)與調(diào)控、物性計(jì)算與模擬；因此，能夠在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量材料的篩選與優(yōu)化，為實(shí)驗(yàn)合成制備提供理論指導(dǎo)，從而加速新材料發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化和應(yīng)用的過程。高通量仿真計(jì)算旨在探求材料結(jié)構(gòu)／組分和物性之間的關(guān)聯(lián)，建立起材料基因組數(shù)據(jù)庫。

高通量仿真計(jì)算改變了材料研究人員一次只能研究單個(gè)或少數(shù)材料的單兵作戰(zhàn)模式。他們只需提出材料性能需求，監(jiān)控和調(diào)整材料搜索、設(shè)計(jì)、計(jì)算方案，分析計(jì)算結(jié)果，高通量仿真計(jì)算工具會(huì)依據(jù)需求和材料數(shù)據(jù)庫，自動(dòng)生成大量相關(guān)材料計(jì)算任務(wù)，進(jìn)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(fā)現(xiàn)幾率。高通量材料計(jì)算可以在實(shí)驗(yàn)開展之前進(jìn)行篩選和優(yōu)化，可以在實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到的極端條件（如高溫、高壓、強(qiáng)場、超快、輻射等）下進(jìn)行材料性能預(yù)測，以及對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的微觀機(jī)理進(jìn)行探索和驗(yàn)證，從而節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本和縮短實(shí)驗(yàn)周期，是實(shí)現(xiàn)材料基因工程總體目標(biāo)的關(guān)鍵。

通過數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)，深度挖掘高通量實(shí)驗(yàn)和高通量仿真計(jì)算數(shù)據(jù)信息，開創(chuàng)材料計(jì)算大數(shù)據(jù)科學(xué)方法。融合材料科學(xué)和信息科學(xué)的先進(jìn)性，通過海量數(shù)據(jù)存儲、人工智能數(shù)據(jù)挖掘預(yù)測、互聯(lián)網(wǎng)信息共享傳播等技術(shù)手段，將材料研發(fā)推進(jìn)到大數(shù)據(jù)時(shí)代。通過人工智能方法，提取材料“結(jié)構(gòu)-物性”之間的隱形聯(lián)系，形成材料篩選和預(yù)測機(jī)制。通過海量數(shù)據(jù)構(gòu)建可精確預(yù)測材料組分、結(jié)構(gòu)、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(yù)測新材料，加速材料研發(fā)。

需要針對亟待解決材料科研和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的材料科學(xué)難題，展開針對性研發(fā)。例如，針對新型無機(jī)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(zhì)合金材料等領(lǐng)域的攻堅(jiān)，有望進(jìn)一步推進(jìn)我國的材料工程水準(zhǔn)，提高制造業(yè)核心生產(chǎn)力。

材料發(fā)展歷程是人類社會(huì)文明進(jìn)步的標(biāo)志，其作用遠(yuǎn)不止以上討論的幾個(gè)方向。新材料的研發(fā)與應(yīng)用反映一個(gè)國家的科技競爭能力，先進(jìn)材料是我國制造業(yè)強(qiáng)國戰(zhàn)略的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料基因工程計(jì)劃也是國家戰(zhàn)略計(jì)劃和科技部署中的重要部分。材料科學(xué)的發(fā)展既要著眼于未來，又需解決當(dāng)前國家重大需求的現(xiàn)實(shí)問題；既需要建立快速、低耗、創(chuàng)新發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)，又必須解決我國高端制造業(yè)所需關(guān)鍵材料長期依靠進(jìn)口的嚴(yán)峻狀態(tài)。