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“無人區” 探索！全球新材料發展幾何？

文章來源：賢集網更新時間：2024-11-26 14:32:51

新材料作為新一輪科技革命和產業變革的先導與基石，在推動技術創新、助力產業轉型升級以及維護國家安全等方面發揮著至關重要的支撐與保障作用，已然成為全球經濟和科技競爭的戰略制高點。當下，“十四五”及今后很長一段時期，正是我國構建現代化產業體系、推動制造業高質量發展的關鍵階段，而實現制造強國目標離不開材料的有力支撐。

在全球范圍內，各國紛紛意識到新材料領域的重要性，諸多發達經濟體為鞏固自身優勢主導地位，不斷出臺戰略政策措施，并加大在該領域的研發及應用投入力度，以推動其實現跨越式發展。美國、歐盟、英國、日本等國家和地區都有著各自明確的發展策略與布局，而我國也在不斷提升對新材料基礎研究的重視程度，積極應對這一全球競爭格局。

一、典型國家/地區在新材料領域的戰略布局與基礎研究情況

美國：全方位布局，聚焦多領域發展

美國向來高度重視新材料的研發，進行了全方位的布局，旨在保持其在新材料領域的全球領先地位，并支撐信息技術、生命科學、環境科學和納米技術等眾多領域的發展，滿足其他行業對新材料的需求。

2019 年 2 月，美國國家科學院發布《材料研究前沿——十年調查報告》，回顧了過去十年美國材料研究的進展與成就，分析了 2020—2030 年間的投資機遇，闡述了材料研究對新興技術、國家需求和科學已有的及預期的影響，還展望了可能面臨的挑戰并提出關鍵政策建議，其涵蓋的研究熱點包含金屬材料、半導體及其他電子材料、陶瓷、玻璃、復合材料和雜化材料，以及能源、航空航天、地面交通等行業需求的材料。

到了 2021 年末，指導美國材料領域科技發展的兩大計劃——材料基因組計劃（Materials Genome Initiative，MGI）和國家納米技術計劃（National Nanotechnology Initiative，NNI）先后發布新版戰略規劃。新的《材料基因組計劃戰略規劃》提出材料創新基礎設施、材料數據和人員培養三個目標，著重強調該計劃對于推動材料創新，尤其是推動新材料走向應用方面的潛力。《國家納米技術計劃戰略規劃》對比 2016 年版本做出較大調整，在發展愿景上，圍繞技術與產業變革，將“引發”調整為“已經發生”，體現了美國科技界對科技革命態勢的最新判斷；在發展目標上，持續關注開展技術研發、推進商業化、加強基礎設施建設和負責任發展等方向，且單獨列出公眾參與和勞動力培養相關內容，凸顯對人才培養的重視。

歐盟：推動數字化綠色化轉型

歐盟期望在材料科學與工程的多個研究方向成為國際領導者，將新材料列為關鍵使能技術之一，力求在盡可能多的新材料技術中占據世界領先地位。同時，歐盟重視環境友好，當前正在實施的“地平線歐洲”框架計劃聚焦石墨烯、綠色與可持續材料和工業材料等的研發，助力數字與綠色轉型。

2022 年 12 月，歐洲材料聯盟組織發布《材料 2030 路線圖》，提出推動材料開發數字化，加速材料設計與開發；加強新材料加工和放大的支撐活動等行動建議。該路線圖圍繞九大類材料創新市場，詳細闡述了面臨的研發挑戰與優先事項以及預期的社會經濟效益，這九類材料按應用領域劃分，分別涵蓋健康與醫療材料、可持續建筑材料、新能源材料、可持續運輸材料、家庭及個人護理材料、可持續包裝材料、可持續農業材料、可持續紡織品材料和電子電器材料等。

英國：立足學術優勢，建設關鍵技術集群

英國作為新材料領域的老牌優勢國家，其新材料科技發展策略是借助世界先進材料技術助推可持續發展。英國在新材料的發現和早期研究方面具備世界領先的學術水平，高校在材料科學、新材料發明與發現以及與工業界合作等方面有著長久優勢。

英國新材料領域主要研究所之一的亨利·羅伊斯研究所認為，“材料 4.0 與信息學”（Materials 4.0 and Informatics）將有望發揮更大作用，并結合數字和物理孿生進行高通量制造、測試及表征。2021 年 7 月，英國政府發布的《英國創新戰略：創新引領未來》報告將“新材料與制造”確定為未來助推英國經濟的七項關鍵技術集群之一，期望實現新材料的批量化制造，并把安全性評估與可持續發展融入材料的設計與創新之中，該報告還將超材料、二維材料、智能仿生自修復材料、復合材料結構與涂層技術等列為有發展潛力的機遇方向。

日本：注重新材料實用性與數據基礎能力

日本向來重視新材料技術開發，研發注重實用性，強調材料與環境、資源與能源等協調發展，重點選取市場潛力巨大和附加值高的新材料方向，希望盡快實現專業化、產業化。日本在碳纖維、電子材料、特種鋼、陶瓷材料等領域處于國際領先地位，著重開發各類可應用于信息通信、新能源、生物技術等的新材料。

2021 年 4 月，日本內閣府發布的《材料創新力強化戰略》報告指出，面向未來科學技術和社會經濟發展，材料起著重要推動作用，通過創新發展戰略能夠快速高效解決當前日本材料行業存在的發展瓶頸與問題。報告提出應建立以數據為基礎的材料創新體系，推動數據驅動型材料研究，以強化日本材料創新能力，并圍繞材料開發與應用、數據驅動研發、國際競爭力三個維度提出了行動計劃方案，其中“數據驅動研發”是主要舉措布局之一，將整合以數據為基礎的材料研發平臺，構建數據驅動型創新體系。

中國：基礎研究日益受重視，發展趨勢向好

近年來，隨著我國科技發展水平的提升以及國際環境的變化，原始創新能力成為我國進一步提升國際競爭力的關鍵要素，基礎研究的重要性愈發得到我國政府的高度重視。2020 年 1 月，科技部等五部門聯合印發《加強“從 0 到 1”基礎研究工作方案》，面向國家重大需求對關鍵核心技術中的重大科學問題給予長期支持，涉及重點基礎材料、先進電子材料、結構與功能材料等方向。

大科學裝置與材料研究的聯系也越發緊密，發揮著原始創新“策源地”的作用。我國多個綜合性國家科學中心的大科學裝置建設與應用正在提速，這有助于深入探索材料納米尺度量子結構、極端條件下物性與物質演變、長期服役性能等，推動材料基礎研究從經驗摸索向人工設計調控升級轉變，成為探索材料科技前沿和滿足國家重大戰略需求的“殺手锏”。與此同時，我國各地方政府依托相關高校院所、企業，建設省級實驗室，打造“國家實驗室預備隊”，如廣東、江蘇和浙江自 2018 年以來先后啟動了以材料為關注領域的實驗室建設，通過探索新的研究組織模式，加快新材料基礎研究和應用轉化。

從研究成果來看，中國科學院科技戰略咨詢研究院、中國科學院文獻情報中心與科睿唯安每年聯合發布的《研究前沿》和《研究前沿熱度指數》報告顯示，在化學與材料科學領域，我國研究活躍程度位列全球第一。以 2022 年為例，我國在該領域排名前三的前沿數量占比高達 92.31%，研究前沿熱度指數是排在第二位的美國的約 2.5 倍，充分彰顯了我國材料科學基礎研究的整體實力和影響力處于世界領先位置。我國學者在 Nature 和 Science 期刊發表的新材料領域相關學術論文逐年增多，涌現出一批具有引領作用的材料基礎研究成果，這些成果圍繞現有材料的性能極限和功能制約開展突破性研究，旨在為新能源、生物醫學、信息技術、高端制造等行業提供滿足應用需求的核心材料支撐。

二、全球材料領域部分頂尖科研實力實驗室介紹

1.橡樹嶺國家實驗室（ORNL）:

橡樹嶺國家實驗室是美國能源部所屬最大的科學和能源研究實驗室。據理財周報材料科學實驗室數據表明，其科研觸角主要伸向納米與生物材料、無機非金屬材料以及新型金屬材料三大類別。ORNL 主要從事 6 個方面的研究，涵蓋中子科學、能源、高性能計算、復雜生物系統、先進材料和國家安全。

2.阿貢國家實驗室:

阿貢國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室同屬于美國國家能源部，二者地位不分伯仲，它是美國最老和最大的科學與工程研究實驗室之一。

3.美國航空航天局（NASA）:

位于特拉華州的 NASA 主要涉足新型金屬材料以及高性能復合材料。NASA 選擇了來自美國 5 個州的六家公司參與政府 - 行業合作，以推進復合材料的研究和認證，該項目是 NASA 航空研究任務理事會的集成系統研究計劃的一部分。

4.麻省理工大學（MIT）:

MIT 是美國乃至全球涉足新材料研究的主力之一，其科研體系涉及新材料六大類，生物材料的研究更是達到世界頂尖水平。該校擁有生物工程實驗室、生物實驗室、生物技術工程中心等 44 個大大小小的研究中心/研究室。

5.斯坦福大學:

諾貝爾化學獎得主邁克爾·萊維特以及諾貝爾生物學獎得主托馬斯·C·蘇德霍夫均出自斯坦福大學，該校生物化學領域的研究水平處于全球領先地位。

6.中科院金屬所

中科院金屬所主要的六大科研機構全面覆蓋新型金屬材料，包括沈陽材料科學國家(聯合)實驗室、金屬腐蝕與防護國家重點實驗室、沈陽先進材料研究發展中心、材料環境腐蝕研究中心、國家金屬腐蝕控制工程技術研究中心、高性能均質合金國家工程研究中心。

7.中科院化學所

中科院化學研究所的主要學科方向為高分子科學、物理化學、有機化學、分析化學，在分子與納米科學前沿、有機高分子材料、化學生物學、能源與綠色化學領域都有深入研究。

8.中科院長春應用化學研究所

中科院長春應用化所的學科方向主要集中在高分子化學與物理、無機化學、分析化學、有機化學和物理化學，其最值得關注的科研項目是交流 LED 項目，且已實現產業化。

9.清華大學

清華大學材料學院目前擁有先進成型制造教育部重點實驗室、新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室等 10 個重點實驗室，在材料研究方面有著深厚的底蘊和強大的實力。

10.英國劍橋大學

劍橋有三個系涉及材料科學的研究，材料及冶金系歷史悠久，是國際上最著名的材料系之一，也是劍橋材料研究最集中的系所；著名的卡文迪什實驗室多年來也進行著多方面影響材料學科發展的關鍵性基礎研究工作。

11.英國曼徹斯特大學實驗室

這是最早將“黑金”石墨烯從石墨中分離出來的實驗室，在石墨烯相關研究以及材料領域有著重要影響力。

12.德國馬普學會

世界知名的馬普學會是德國的一個大型科研組織，曾經孕育了 32 位諾貝爾獎得主，也是國際上規模最大、威望最高和成效最大的由政府資助的自治科學組織。學會擁有 81 個研究所，其中有兩個跟無機非金屬相關的研究所，分別為馬普化學研究所和馬普固體物理和材料研究所，另外馬普冶金研究所也致力于研究陶瓷材料，而馬普固體研究中心則將部分精力放于非晶態固體材料的研究上。2011 年，學會里的動態結構研究小組成功利用強紅外激光脈沖照射將稀土氧化物陶瓷材料轉變為高溫超導體，展現出強大的科研創新能力。

三、新材料領域基礎研究發展趨勢與熱點方向及進展

材料設計與研發加速向新范式轉變：

隨著超級計算機、機器學習、人工智能、量子計算等先進信息技術的發展，新材料的設計與研發過程正發生著重大變革。這些數字化技術在新材料領域不斷滲透，深化了人們對材料理論基礎的認識，有力推動了新材料的遴選、設計和研發。信息技術的應用能夠大幅縮短新材料的研發周期，顯著降低制備成本，促使新材料研發由“經驗指導型”向“理論預測 + 實驗驗證”的新模式轉變，未來這一趨勢還將加速，各類信息技術在新材料開發中的作用會愈發凸顯。

新材料制備與表征技術不斷發展：

從分子、原子層面開展新材料的合成制備，并在微觀尺度上進行成分與結構控制，材料制備合成方面新技術、新裝備層出不窮，助力新材料朝著多功能、智能方向發展，有望產生體積更小、集成度更高、功能更優異、更加智能的產品。同時，基于同步輻射光源、散裂中子源等大科學裝置的成像、譜學和衍射技術，研究人員充分利用其在亮度、空間分辨率、穿透性等方面的優異特性，發展了多種高通量、多維度、多尺度的材料表征技術，并應用于新材料微結構及其演化等研究，這進一步推動了對新材料內在機理的探索，反映出材料表征技術的重要進步。

更加關注能源與資源約束：

碳中和、碳達峰目標為新材料發展帶來重大需求，使得新材料領域更加重視綠色發展，在研發、制造到應用等各個環節突出環境友好、成分簡約、循環利用。新材料的發展對戰略性原材料資源的依賴程度加深，且其對支撐高端裝備制造、國防等起著舉足輕重的作用。此外，隨著社會經濟發展和科學技術進步，全生命周期理念深入人心，短流程制備、稀缺元素替代、近凈成形、結構功能一體化和回收技術等日益受到重視。

新材料領域基礎研究的熱點方向與研究進展：

1.新算法助力新材料篩選及開發

通過數據驅動的機器學習算法建立材料性能預測模型，并應用于材料篩選與新材料開發成為近年來的熱點之一。例如，美國勞倫斯伯克利實驗室利用卷積神經網絡分析實驗數據，實現對單層二硫化鎢缺陷的快速繪制和識別，將原本利用傳統掃描隧道顯微鏡所需的 23 天時間大幅縮短至 8 小時；美國杜克大學利用密度泛函理論和 AFLOW 材料數據庫進行數據挖掘，探索出 28 種新型二維材料的化學組成，且這些材料在電子、磁性和拓撲方面具備卓越特性；中國科學技術大學研制出全球首個數據智能驅動的全流程機器化學家，具有更強的化學智能和廣泛的化學品開發能力，目前已涵蓋光催化與電催化材料、發光分子、光學薄膜材料等。

2.制備與加工技術

各類外延、沉積和極端條件下制備與加工技術的發展，使人們能夠獲得具有復合功能性質的新材料，推動新材料及其器件朝著低維化、復合化和材料器件一體化的方向邁進。像美國馬薩諸塞大學和佐治亞理工學院通過 3D 打印制作出雙相納米結構高熵合金，其強度比傳統金屬鑄件提升了 3 倍，具備超高強度和更高的延展性，有望應用于生物醫學、航空航天等領域的高性能部件；美國東北大學開發出一種可壓鑄成復雜零件的全陶瓷材料，比當前的金屬更輕薄、更高效，可改變手機及其他無線電部件等電子產品的散熱設計和制造；美國普林斯頓大學通過對不同材料進行分層，并制備出超薄的二維覆蓋層保護最脆弱的區域免受曝光，成功開發出第一個具有商業可行性的鈣鈦礦太陽能電池，其使用壽命超過 30 年。

3.新材料性質表征研究取得突破

借助高空間分辨、高能量分辨、高時間分辨、原位與外場作用等表征技術，開展新材料基本物理性能、化學性能及其顯微結構一體化分析測試表征，能夠誘導出一些新原理的揭示和新效應的發現。比如，美國麻省理工學院在碘化鎳中發現“多鐵性”狀態，首次證實二維材料可存在多鐵特性，為開發更小、更快、更有效的數據存儲設備鋪平了道路，有助于制造更高效的磁性記憶裝置；德國尤利希研究中心首次證實二維材料中存在“費米弧”這種奇異的電子態，為新型量子材料及其在新一代自旋電子學和量子計算中的潛在應用奠定了基礎；美國加州大學伯克利分校研究發現鉻鈷鎳合金（CrCoNi）在 -253.15℃附近斷裂韌性高達 459MPa·m1/2，是迄今最高的堅韌度，且隨著溫度下降，堅硬度和延展性反而會提升，有望在深空等低溫領域發揮作用；美國麻省理工學院進一步證實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體所需的主要品質，有潛力成為新一代半導體材料；美國普渡大學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，首次對核自旋量子位進行了實驗控制，有助于實現原子尺度層面的核磁共振光譜等應用。

4.新材料引發器件形態持續迭代革新

材料結構設計與性質調控的不斷深入，推動電子器件朝著輕薄化、小型化、多功能化等方向持續邁進。例如，美國內布拉斯加大學林肯分校和布法羅大學利用石墨烯及氧化鉻研制出全球首個利用電子自旋來表示數字信號的磁電晶體管，不僅將能耗降低 5%，還可將存儲數據所需的晶體管數量減少 75%，進一步促進設備小型化；美國得克薩斯大學奧斯汀分校基于基板上的薄層相變材料，創制出首臺光學納米電機，寬度不及 100nm，可在光照下進行旋轉，能作為無燃料、無齒輪的發動機，將光能轉化為機械能，用于各種固態微納機電系統；瑞士蘇黎世聯邦理工學院利用轉角石墨烯制造出首個超導量子干涉裝置，拓展了石墨烯的應用范圍；勞倫斯伯克利實驗室通過使用厚度只有 25nm 的 BaTiO3 薄膜，開發出新型超薄電容器，可以在 50 - 100mV 甚至更低的電壓下工作，可極大降低計算機芯片運行時所需的能耗，使高能效微芯片成為可能；美國賓夕法尼亞州立大學利用 MXene/硅樹脂彈性體和銀納米線 - 石墨烯泡沫納米復合材料制成了一種可完全拉伸的摩擦納米發電機，表現出高輸出性能，能夠在各種極端變形條件下穩定輸出并維持數小時。

5.推進戰略性原材料資源提取回收與替代

戰略性原材料資源對新材料可持續發展的意義重大，原材料提取新工藝、循環利用和替代研究受到重視。美國國防部先進研究計劃局啟動稀土生物開采研究，利用微生物和生物分子工程相關技術，開發稀土資源分離與提純方法，以有效利用稀土資源，填補供應鏈缺口；圍繞利用非常規資源進行稀土元素和關鍵礦物提取與分離，美國萊斯大學利用粉煤灰、鋁土礦殘渣和電子廢棄物，通過閃光焦耳加熱工藝，提取有價值的稀土元素，而且產量足夠高；美國艾姆斯實驗室基于稀土數據庫開發出機器學習模型用于評估新發現的稀土化合物的穩定性，并預測其磁性、制造工藝過程控制和力學行為優化等；美國能源部關鍵材料研究所開發出一種基于微結構工程制造錳鉍（MnBi）磁體的新方法，向著不使用稀土制備緊湊、節能電機邁出了新的一步。

此外，其他國家也在積極探索相關路徑。例如，日本在一些關鍵材料的替代方面不斷投入研發力量，嘗試通過研發新材料或改進工藝，減少對部分稀缺且供應不穩定的原材料的依賴，在電子材料領域尋找可以替代部分貴金屬的功能性材料，以此降低成本并保障產業的穩定供應。歐盟一些國家則聚焦于資源回收環節，研究如何從廢舊電子產品、工業廢棄物等當中更高效地提取出可再利用的原材料，像荷蘭在廢舊電池回收處理上進行技術創新，旨在提高鋰、鈷等關鍵金屬的回收率，為新能源材料產業的可持續發展提供保障。

我國同樣高度重視戰略性原材料資源相關問題，一方面加大對國內優勢礦產資源的合理開發與高效利用，如我國稀土資源豐富，通過不斷優化提煉技術、加強產業鏈上下游整合，提升稀土資源在新材料應用中的價值；另一方面積極布局廢舊材料回收產業，鼓勵企業開展循環經濟模式，例如在新能源汽車退役電池回收方面，建立了相關規范和技術標準，通過拆解、再生等環節，實現電池中鋰、鎳、鈷等關鍵原材料的循環再利用，減少對外依存度，同時降低新材料生產成本，推動產業綠色可持續發展。

四、啟示與建議

正視短板，加強基礎科學問題研究：

我國在新材料領域的發展中，存在著突出短板，一些關鍵性、戰略性材料依舊受制于人，“卡脖子”現象嚴重。為滿足新一代信息、能源、生物、制造等領域對新材料的需求，需切實加強材料科學與應用過程中基礎科學問題的研究，不斷深化理解材料結構與性能之間的關系，不斷突破現有材料性能極限及功能制約，引領新材料領域不斷實現原始創新和重大突破。

加強新材料前沿方向基礎研究：

隨著我國科研水平的不斷提升，對物質本質的理解逐步深入，對新材料科技問題的研究更加前沿，相關探索工作正逐漸步入“無人區”，這意味著需要承擔更大的試錯成本，但也存在著取得先發優勢的機遇。同時，還需繼續瞄準世界科技前沿方向，前瞻布局基礎研究，重視原始創新和顛覆性技術創新，搶占未來新材料競爭的制高點。此外，還需支持金屬、玻璃和陶瓷等傳統材料領域的基礎研究，持續提升材料性能，支撐高端化應用。

重視以問題為導向的新材料開發：

我國新材料領域的基礎研究需以原創性思想、變革性實踐、突破性進展、標志性成果為導向，關注從國家重大戰略需求、經濟發展主戰場中提煉出核心關鍵問題，強化以應用目標為導向的材料應用基礎研究，努力在包括基礎材料在內的多種底層技術上實現更多“從 0 到 1”的原創性突破。建議關注的問題包括：極端環境下材料與結構力學、后摩爾時代半導體能耗邊界與速度極限、無機/有機—微生物相互作用機理等。

加強新材料基礎研究的組織協同：

推動政府部門、大學、科研機構、企業等創新主體之間搭建協同合作網絡，共同解決新材料基礎研究的原理性、機理性共性問題。重視并推進材料創新研發范式變革，有效利用機器學習、材料基因組等數字技術搭建“數據驅動型”新材料研發示范平臺，建設理論模擬數據庫和結構數據庫等，建立存儲、利用等材料數據的全流程處理標準等，推動產學研用數據協同化發展。只有通過多主體協同合作，整合各方資源優勢，才能在全球新材料領域競爭日益激烈的背景下，更好地提升我國新材料基礎研究水平，加快新材料成果轉化應用，為我國制造業高質量發展以及科技強國建設筑牢堅實的材料基礎。

總之，全球新材料領域正處于快速發展與激烈競爭的階段，各個國家和地區都在積極布局、深入探索。我國既要看到自身的優勢與取得的成績，也要清醒認識到存在的不足，通過不斷加強基礎研究、聚焦前沿方向、以問題為導向開展研發以及強化組織協同等舉措，在新材料這個關鍵領域持續發力，助力我國在全球科技與經濟競爭中占據更為有利的地位，實現高質量發展的長遠目標。

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來源：賢集網
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