習(xí)近平總書(shū)記指出：“新材料產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，也是高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵領(lǐng)域，我們要奮起直追、迎頭趕上。”新材料是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的先導(dǎo)與基石，在推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新、培育和發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力、維護(hù)國(guó)家安全等方面發(fā)揮著不可替代的保障支撐作用。為實(shí)現(xiàn)我國(guó)新材料科技和產(chǎn)業(yè)從“跟跑”“并跑”再到“領(lǐng)跑”的跨越，迫切需要大力開(kāi)展“1→0”反向基礎(chǔ)研究，通過(guò)對(duì)已經(jīng)突破核心指標(biāo)、實(shí)現(xiàn)裝備應(yīng)用的研究成果進(jìn)行“刨根問(wèn)底”，探究技術(shù)瓶頸背后的核心科學(xué)問(wèn)題，搶占新材料創(chuàng)新制高點(diǎn)，加快推進(jìn)高水平科技自立自強(qiáng)。
一、材料科學(xué)“1→0”研究的理論內(nèi)涵與實(shí)踐價(jià)值
在材料科學(xué)“1→0”反向基礎(chǔ)研究范式中，“1”代表具有工程應(yīng)用價(jià)值的階段性成果，涵蓋材料性能突破與制備技術(shù)革新兩大核心維度。具體表現(xiàn)為：材料在特定服役條件下達(dá)成預(yù)設(shè)性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用或型號(hào)列裝，或是開(kāi)發(fā)出具備工業(yè)化生產(chǎn)潛力的新型制備工藝。而“0”特指支撐上述成果的基礎(chǔ)科學(xué)內(nèi)核，涉及材料在原子及微納尺度的構(gòu)筑機(jī)制、合成加工過(guò)程中的物理化學(xué)演變規(guī)律，以及超高維度下材料構(gòu)效關(guān)系的本質(zhì)溯源。這一范式強(qiáng)調(diào)基于逆向工程思維，結(jié)合多尺度表征與理論計(jì)算手段，系統(tǒng)解析材料科學(xué)問(wèn)題，深度揭示制約材料性能與應(yīng)用邊界的核心科學(xué)內(nèi)涵與物理機(jī)制，為材料科學(xué)發(fā)展提供理論支撐與創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力。
1.強(qiáng)化原始創(chuàng)新能力。當(dāng)前我國(guó)材料科學(xué)領(lǐng)域原始創(chuàng)新效能不足，其核心癥結(jié)在于對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的研究深度與系統(tǒng)性尚顯薄弱。通過(guò)“1→0”研究，引導(dǎo)科研人員對(duì)基本原理進(jìn)行再審視與再解析，從而為材料設(shè)計(jì)理論創(chuàng)新及制備技術(shù)突破提供新的認(rèn)知路徑。以能源轉(zhuǎn)化材料研究為例，基于現(xiàn)有光電催化突破成果和現(xiàn)實(shí)需求，通過(guò)系統(tǒng)研究半導(dǎo)體材料原子結(jié)構(gòu)、電子傳輸微觀(guān)行為及其光電耦合作用機(jī)制，有望建立新的光電轉(zhuǎn)換新模型和新路徑。這一研究思路的應(yīng)用將顯著提升我國(guó)在能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究自主性。
2.突破材料性能極限。材料性能提升面臨的技術(shù)瓶頸本質(zhì)上源于對(duì)材料成分—結(jié)構(gòu)—組織—性能關(guān)系認(rèn)知的局限性。這一局限性的物理本質(zhì)在于材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系是一個(gè)超高維度下的跨時(shí)空尺度問(wèn)題。通過(guò)開(kāi)展多尺度結(jié)構(gòu)演化與性能調(diào)控機(jī)制的交叉研究，有助于揭示材料性能調(diào)控的新維度與新規(guī)律。以高熵合金強(qiáng)塑設(shè)計(jì)為例，基于現(xiàn)有增材制造特征組織在高熵合金強(qiáng)韌化方面的優(yōu)異效果，深入挖掘位錯(cuò)組態(tài)對(duì)強(qiáng)度與塑性的內(nèi)在作用機(jī)制，能夠突破位錯(cuò)強(qiáng)化必然損害塑性的傳統(tǒng)強(qiáng)化理論邊界，為新型金屬材料性能優(yōu)化提供全新途徑。這將從原理上拓展金屬材料的性能極限，推動(dòng)特種超強(qiáng)高塑結(jié)構(gòu)材料的迭代升級(jí)。
3.提升戰(zhàn)略材料自主保障能力。關(guān)鍵戰(zhàn)略材料的自主可控是維護(hù)國(guó)家產(chǎn)業(yè)安全與國(guó)防安全的重要基石。針對(duì)我國(guó)在空天飛行器關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)碳/碳復(fù)合材料的技術(shù)短板，通過(guò)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料設(shè)計(jì)模型和先進(jìn)的制備方法與原理研究，系統(tǒng)解析碳/碳復(fù)合材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)—力學(xué)性能—耐高溫性能的構(gòu)效關(guān)系，突破預(yù)制體按需設(shè)計(jì)、碳基體織構(gòu)精細(xì)調(diào)控、界面強(qiáng)韌化控制和抗氧化燒蝕涂層制備等核心技術(shù)環(huán)節(jié)，有助于打造自主可控的耐極端環(huán)境高性能碳基復(fù)合材料技術(shù)體系，顯著增強(qiáng)我國(guó)空天產(chǎn)業(yè)鏈與供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性和抗風(fēng)險(xiǎn)能力。
二、新材料領(lǐng)域“1→0”研究的主要挑戰(zhàn)和實(shí)施路徑
（一）主要挑戰(zhàn)
材料科學(xué)“1→0”反向基礎(chǔ)研究的核心瓶頸之一在于“0”的問(wèn)題歸納凝練或定位不準(zhǔn)。這一瓶頸的物理內(nèi)涵在于低維度的材料性能向超高維度材料結(jié)構(gòu)空間的反向映射。如何在超高維度空間下精準(zhǔn)識(shí)別出決定材料性能的本征物化規(guī)律是決定“0”的問(wèn)題研究成敗的關(guān)鍵，同時(shí)也是在“0”的問(wèn)題上反向突破“1”的問(wèn)題的機(jī)遇所在。
1.超高維跨尺度材料結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的破譯難題。材料體系的本征性能由原子/分子、納米、介觀(guān)至宏觀(guān)等多尺度結(jié)構(gòu)協(xié)同決定，構(gòu)建超高維跨尺度定量構(gòu)效關(guān)系已成為材料科學(xué)基礎(chǔ)研究的核心挑戰(zhàn)。在“1→0”原始創(chuàng)新研究范式中，從宏觀(guān)性能反演關(guān)鍵微觀(guān)結(jié)構(gòu)，亟需多尺度表征技術(shù)與理論模擬方法的深度集成。然而，當(dāng)前在跨尺度信息傳遞機(jī)制解析、超高維空間降維及關(guān)鍵物理規(guī)律挖掘及多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)建模等方面仍存在顯著技術(shù)瓶頸。特別是原子尺度缺陷演化與宏觀(guān)力學(xué)響應(yīng)之間的非線(xiàn)性映射關(guān)系，尚未形成完整的理論框架與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證體系。
2.實(shí)驗(yàn)表征與理論計(jì)算的協(xié)同困境。解析“1→0”關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題依賴(lài)高時(shí)空分辨實(shí)驗(yàn)技術(shù)與多尺度理論計(jì)算方法的深度融合。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)手段在原子級(jí)晶格畸變動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、超快相變過(guò)程原位追蹤等方面存在空間分辨率與時(shí)間靈敏度的雙重限制；而理論計(jì)算方面，第一性原理方法難以精確處理復(fù)雜體系中的強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)問(wèn)題，分子動(dòng)力學(xué)模擬在時(shí)間尺度上難以覆蓋微觀(guān)過(guò)程向宏觀(guān)行為演化的全周期，導(dǎo)致多尺度建模的預(yù)測(cè)能力有限。實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)與理論模擬在時(shí)空尺度覆蓋、物理機(jī)制描述等方面的錯(cuò)位，成為制約材料科學(xué)基礎(chǔ)研究范式變革的重要瓶頸。
（二）實(shí)施路徑
1.深化多學(xué)科創(chuàng)新交叉融合。新材料研發(fā)呈現(xiàn)出鮮明的學(xué)科交叉特征，高度依賴(lài)物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的深度融合。從理論層面看，量子力學(xué)的能帶理論為材料電子結(jié)構(gòu)解析提供基礎(chǔ)，化學(xué)分子工程學(xué)指導(dǎo)材料構(gòu)筑單元設(shè)計(jì)，仿生生物學(xué)啟發(fā)材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而人工智能技術(shù)的高維表達(dá)與泛化能力則助力材料超高維空間建模與隱含物理規(guī)律的挖掘。這種多維度研究范式通過(guò)整合不同學(xué)科的理論框架與技術(shù)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料科學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題的系統(tǒng)性突破。在組織架構(gòu)層面，跨學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)將成為開(kāi)展前沿研究的核心載體，通過(guò)構(gòu)建知識(shí)共享與技術(shù)集成機(jī)制，推動(dòng)學(xué)科交叉領(lǐng)域的原創(chuàng)性成果產(chǎn)出。
2.加快向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與智能研究范式轉(zhuǎn)型。伴隨高通量實(shí)驗(yàn)與第一性原理計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，材料科學(xué)研究已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。人工智能在科學(xué)研究領(lǐng)域最大的優(yōu)勢(shì)便是其強(qiáng)大的高維空間數(shù)學(xué)表達(dá)能力與基于有限先驗(yàn)信息的泛化能力，而這正是材料科學(xué)傳統(tǒng)研究范式所面臨的瓶頸。人工智能與材料科學(xué)研究的融合，不僅有助于超高維下“0”的問(wèn)題的定位與最終解決，也將大幅提升“1”的問(wèn)題的反向突破。人工智能算法通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行深度挖掘，能夠有效解析材料結(jié)構(gòu)—性能—制備工藝之間的非線(xiàn)性關(guān)系，突破材料研發(fā)的尺度壁壘與“維度災(zāi)難”難題，實(shí)現(xiàn)新材料性能預(yù)測(cè)與合成路徑的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。
3.加強(qiáng)新材料“1→0”研究的有組織協(xié)同。對(duì)于定向性的基礎(chǔ)研究，如果沒(méi)有組織就是一盤(pán)散沙，靠單打獨(dú)斗難以長(zhǎng)期堅(jiān)持。要強(qiáng)化科研團(tuán)隊(duì)的有組織協(xié)同創(chuàng)新，進(jìn)行分類(lèi)評(píng)價(jià)改革，推動(dòng)科研力量和資源優(yōu)化配置，提升協(xié)同攻關(guān)能力。同時(shí)，應(yīng)推動(dòng)政府、高校、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)，通過(guò)建設(shè)新材料研發(fā)示范平臺(tái)、設(shè)立“1→0”研發(fā)基金等方式，共同推動(dòng)解決新材料基礎(chǔ)研究的共性問(wèn)題。
三、材料學(xué)院推進(jìn)“1→0”研究的實(shí)踐探索
發(fā)揮科研團(tuán)隊(duì)集智攻關(guān)優(yōu)勢(shì)是材料學(xué)院科技創(chuàng)新發(fā)展的“傳家寶”。學(xué)院多次組織召開(kāi)團(tuán)隊(duì)研討會(huì)，分析研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，以“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”“交叉融合”“資源聚合”，加快建設(shè)高水平科研團(tuán)隊(duì)，有組織推進(jìn)“1→0”反向基礎(chǔ)研究，持續(xù)強(qiáng)化原始創(chuàng)新能力。
強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。學(xué)院以新一輪聘崗為契機(jī)，堅(jiān)持做好“特色”大文章，對(duì)傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)方向科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行整合，完善學(xué)科方向內(nèi)部“基礎(chǔ)-工程-應(yīng)用”的隊(duì)伍結(jié)構(gòu)配置模式，打造科研集成優(yōu)勢(shì)，以高效內(nèi)循環(huán)增強(qiáng)協(xié)作效能。2024學(xué)院發(fā)表Nature Chemistry1篇、Nature Communications 8篇。
交叉融合。建立國(guó)家戰(zhàn)略需求牽引的跨方向、跨團(tuán)隊(duì)聯(lián)合攻關(guān)機(jī)制，圍繞國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然基金委重大重點(diǎn)項(xiàng)目以及各類(lèi)型號(hào)項(xiàng)目，打好基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用雙向發(fā)力、協(xié)同發(fā)展的“組合拳”。2024年，學(xué)院獲批國(guó)家自然科學(xué)基金50項(xiàng)，其中重點(diǎn)類(lèi)項(xiàng)目6項(xiàng)；牽頭獲批國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目6項(xiàng)；專(zhuān)利轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化金額4147萬(wàn)元，孵化2家高新技術(shù)企業(yè)，新增1家上市企業(yè)。
資源聚合。立足“國(guó)防、三航、系統(tǒng)”特色，圍繞“方向—隊(duì)伍—平臺(tái)—項(xiàng)目—成果”五位一體創(chuàng)新鏈條，與成飛、中航重機(jī)等大院大所構(gòu)建以科研項(xiàng)目聯(lián)合攻關(guān)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)、全面合作體系，合作成立12個(gè)校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，激活特色發(fā)展的“源頭活水”。2024年學(xué)院科研經(jīng)費(fèi)到款再創(chuàng)歷史新高；新增中國(guó)-哈薩克斯坦材料基因工程與智能科學(xué)“一帶一路”聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，成功重組凝固技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、陜西省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、陜西省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、陜西省國(guó)際科學(xué)技術(shù)合作獎(jiǎng)1項(xiàng)。
（文字：付前剛；審核：馬西平）
