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?！疤嵘a(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第一次全體會議上，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?、?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)算工具會依據(jù)需求和材料數(shù)據(jù)庫，自動生成大量相關(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)。