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“无人区” 探索！全球新材料发展几何？

文章来源：贤集网更新时间：2024-11-26 14:32:51

新材料作为新一轮科技革命和产业变革的先导与基石，在推动技术创新、助力产业转型升级以及维护国家安全等方面发挥着至关重要的支撑与保障作用，已然成为全球经济和科技竞争的战略制高点。当下，“十四五”及今后很长一段时期，正是我国构建现代化产业体系、推动制造业高质量发展的关键阶段，而实现制造强国目标离不开材料的有力支撑。

在全球范围内，各国纷纷意识到新材料领域的重要性，诸多发达经济体为巩固自身优势主导地位，不断出台战略政策措施，并加大在该领域的研发及应用投入力度，以推动其实现跨越式发展。美国、欧盟、英国、日本等国家和地区都有着各自明确的发展策略与布局，而我国也在不断提升对新材料基础研究的重视程度，积极应对这一全球竞争格局。

一、典型国家/地区在新材料领域的战略布局与基础研究情况

美国：全方位布局，聚焦多领域发展

美国向来高度重视新材料的研发，进行了全方位的布局，旨在保持其在新材料领域的全球领先地位，并支撑信息技术、生命科学、环境科学和纳米技术等众多领域的发展，满足其他行业对新材料的需求。

2019 年 2 月，美国国家科学院发布《材料研究前沿——十年调查报告》，回顾了过去十年美国材料研究的进展与成就，分析了 2020—2030 年间的投资机遇，阐述了材料研究对新兴技术、国家需求和科学已有的及预期的影响，还展望了可能面临的挑战并提出关键政策建议，其涵盖的研究热点包含金属材料、半导体及其他电子材料、陶瓷、玻璃、复合材料和杂化材料，以及能源、航空航天、地面交通等行业需求的材料。

到了 2021 年末，指导美国材料领域科技发展的两大计划——材料基因组计划（Materials Genome Initiative，MGI）和国家纳米技术计划（National Nanotechnology Initiative，NNI）先后发布新版战略规划。新的《材料基因组计划战略规划》提出材料创新基础设施、材料数据和人员培养三个目标，着重强调该计划对于推动材料创新，尤其是推动新材料走向应用方面的潜力。《国家纳米技术计划战略规划》对比 2016 年版本做出较大调整，在发展愿景上，围绕技术与产业变革，将“引发”调整为“已经发生”，体现了美国科技界对科技革命态势的最新判断；在发展目标上，持续关注开展技术研发、推进商业化、加强基础设施建设和负责任发展等方向，且单独列出公众参与和劳动力培养相关内容，凸显对人才培养的重视。

欧盟：推动数字化绿色化转型

欧盟期望在材料科学与工程的多个研究方向成为国际领导者，将新材料列为关键使能技术之一，力求在尽可能多的新材料技术中占据世界领先地位。同时，欧盟重视环境友好，当前正在实施的“地平线欧洲”框架计划聚焦石墨烯、绿色与可持续材料和工业材料等的研发，助力数字与绿色转型。

2022 年 12 月，欧洲材料联盟组织发布《材料 2030 路线图》，提出推动材料开发数字化，加速材料设计与开发；加强新材料加工和放大的支撑活动等行动建议。该路线图围绕九大类材料创新市场，详细阐述了面临的研发挑战与优先事项以及预期的社会经济效益，这九类材料按应用领域划分，分别涵盖健康与医疗材料、可持续建筑材料、新能源材料、可持续运输材料、家庭及个人护理材料、可持续包装材料、可持续农业材料、可持续纺织品材料和电子电器材料等。

英国：立足学术优势，建设关键技术集群

英国作为新材料领域的老牌优势国家，其新材料科技发展策略是借助世界先进材料技术助推可持续发展。英国在新材料的发现和早期研究方面具备世界领先的学术水平，高校在材料科学、新材料发明与发现以及与工业界合作等方面有着长久优势。

英国新材料领域主要研究所之一的亨利·罗伊斯研究所认为，“材料 4.0 与信息学”（Materials 4.0 and Informatics）将有望发挥更大作用，并结合数字和物理孪生进行高通量制造、测试及表征。2021 年 7 月，英国政府发布的《英国创新战略：创新引领未来》报告将“新材料与制造”确定为未来助推英国经济的七项关键技术集群之一，期望实现新材料的批量化制造，并把安全性评估与可持续发展融入材料的设计与创新之中，该报告还将超材料、二维材料、智能仿生自修复材料、复合材料结构与涂层技术等列为有发展潜力的机遇方向。

日本：注重新材料实用性与数据基础能力

日本向来重视新材料技术开发，研发注重实用性，强调材料与环境、资源与能源等协调发展，重点选取市场潜力巨大和附加值高的新材料方向，希望尽快实现专业化、产业化。日本在碳纤维、电子材料、特种钢、陶瓷材料等领域处于国际领先地位，着重开发各类可应用于信息通信、新能源、生物技术等的新材料。

2021 年 4 月，日本内阁府发布的《材料创新力强化战略》报告指出，面向未来科学技术和社会经济发展，材料起着重要推动作用，通过创新发展战略能够快速高效解决当前日本材料行业存在的发展瓶颈与问题。报告提出应建立以数据为基础的材料创新体系，推动数据驱动型材料研究，以强化日本材料创新能力，并围绕材料开发与应用、数据驱动研发、国际竞争力三个维度提出了行动计划方案，其中“数据驱动研发”是主要举措布局之一，将整合以数据为基础的材料研发平台，构建数据驱动型创新体系。

中国：基础研究日益受重视，发展趋势向好

近年来，随着我国科技发展水平的提升以及国际环境的变化，原始创新能力成为我国进一步提升国际竞争力的关键要素，基础研究的重要性愈发得到我国政府的高度重视。2020 年 1 月，科技部等五部门联合印发《加强“从 0 到 1”基础研究工作方案》，面向国家重大需求对关键核心技术中的重大科学问题给予长期支持，涉及重点基础材料、先进电子材料、结构与功能材料等方向。

大科学装置与材料研究的联系也越发紧密，发挥着原始创新“策源地”的作用。我国多个综合性国家科学中心的大科学装置建设与应用正在提速，这有助于深入探索材料纳米尺度量子结构、极端条件下物性与物质演变、长期服役性能等，推动材料基础研究从经验摸索向人工设计调控升级转变，成为探索材料科技前沿和满足国家重大战略需求的“杀手锏”。与此同时，我国各地方政府依托相关高校院所、企业，建设省级实验室，打造“国家实验室预备队”，如广东、江苏和浙江自 2018 年以来先后启动了以材料为关注领域的实验室建设，通过探索新的研究组织模式，加快新材料基础研究和应用转化。

从研究成果来看，中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心与科睿唯安每年联合发布的《研究前沿》和《研究前沿热度指数》报告显示，在化学与材料科学领域，我国研究活跃程度位列全球第一。以 2022 年为例，我国在该领域排名前三的前沿数量占比高达 92.31%，研究前沿热度指数是排在第二位的美国的约 2.5 倍，充分彰显了我国材料科学基础研究的整体实力和影响力处于世界领先位置。我国学者在 Nature 和 Science 期刊发表的新材料领域相关学术论文逐年增多，涌现出一批具有引领作用的材料基础研究成果，这些成果围绕现有材料的性能极限和功能制约开展突破性研究，旨在为新能源、生物医学、信息技术、高端制造等行业提供满足应用需求的核心材料支撑。

二、全球材料领域部分顶尖科研实力实验室介绍

1.橡树岭国家实验室（ORNL）:

橡树岭国家实验室是美国能源部所属最大的科学和能源研究实验室。据理财周报材料科学实验室数据表明，其科研触角主要伸向纳米与生物材料、无机非金属材料以及新型金属材料三大类别。ORNL 主要从事 6 个方面的研究，涵盖中子科学、能源、高性能计算、复杂生物系统、先进材料和国家安全。

2.阿贡国家实验室:

阿贡国家实验室和橡树岭国家实验室同属于美国国家能源部，二者地位不分伯仲，它是美国最老和最大的科学与工程研究实验室之一。

3.美国航空航天局（NASA）:

位于特拉华州的 NASA 主要涉足新型金属材料以及高性能复合材料。NASA 选择了来自美国 5 个州的六家公司参与政府 - 行业合作，以推进复合材料的研究和认证，该项目是 NASA 航空研究任务理事会的集成系统研究计划的一部分。

4.麻省理工大学（MIT）:

MIT 是美国乃至全球涉足新材料研究的主力之一，其科研体系涉及新材料六大类，生物材料的研究更是达到世界顶尖水平。该校拥有生物工程实验室、生物实验室、生物技术工程中心等 44 个大大小小的研究中心/研究室。

5.斯坦福大学:

诺贝尔化学奖得主迈克尔·莱维特以及诺贝尔生物学奖得主托马斯·C·苏德霍夫均出自斯坦福大学，该校生物化学领域的研究水平处于全球领先地位。

6.中科院金属所

中科院金属所主要的六大科研机构全面覆盖新型金属材料，包括沈阳材料科学国家(联合)实验室、金属腐蚀与防护国家重点实验室、沈阳先进材料研究发展中心、材料环境腐蚀研究中心、国家金属腐蚀控制工程技术研究中心、高性能均质合金国家工程研究中心。

7.中科院化学所

中科院化学研究所的主要学科方向为高分子科学、物理化学、有机化学、分析化学，在分子与纳米科学前沿、有机高分子材料、化学生物学、能源与绿色化学领域都有深入研究。

8.中科院长春应用化学研究所

中科院长春应用化所的学科方向主要集中在高分子化学与物理、无机化学、分析化学、有机化学和物理化学，其最值得关注的科研项目是交流 LED 项目，且已实现产业化。

9.清华大学

清华大学材料学院目前拥有先进成型制造教育部重点实验室、新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室等 10 个重点实验室，在材料研究方面有着深厚的底蕴和强大的实力。

10.英国剑桥大学

剑桥有三个系涉及材料科学的研究，材料及冶金系历史悠久，是国际上最著名的材料系之一，也是剑桥材料研究最集中的系所；著名的卡文迪什实验室多年来也进行着多方面影响材料学科发展的关键性基础研究工作。

11.英国曼彻斯特大学实验室

这是最早将“黑金”石墨烯从石墨中分离出来的实验室，在石墨烯相关研究以及材料领域有着重要影响力。

12.德国马普学会

世界知名的马普学会是德国的一个大型科研组织，曾经孕育了 32 位诺贝尔奖得主，也是国际上规模最大、威望最高和成效最大的由政府资助的自治科学组织。学会拥有 81 个研究所，其中有两个跟无机非金属相关的研究所，分别为马普化学研究所和马普固体物理和材料研究所，另外马普冶金研究所也致力于研究陶瓷材料，而马普固体研究中心则将部分精力放于非晶态固体材料的研究上。2011 年，学会里的动态结构研究小组成功利用强红外激光脉冲照射将稀土氧化物陶瓷材料转变为高温超导体，展现出强大的科研创新能力。

三、新材料领域基础研究发展趋势与热点方向及进展

材料设计与研发加速向新范式转变：

随着超级计算机、机器学习、人工智能、量子计算等先进信息技术的发展，新材料的设计与研发过程正发生着重大变革。这些数字化技术在新材料领域不断渗透，深化了人们对材料理论基础的认识，有力推动了新材料的遴选、设计和研发。信息技术的应用能够大幅缩短新材料的研发周期，显著降低制备成本，促使新材料研发由“经验指导型”向“理论预测 + 实验验证”的新模式转变，未来这一趋势还将加速，各类信息技术在新材料开发中的作用会愈发凸显。

新材料制备与表征技术不断发展：

从分子、原子层面开展新材料的合成制备，并在微观尺度上进行成分与结构控制，材料制备合成方面新技术、新装备层出不穷，助力新材料朝着多功能、智能方向发展，有望产生体积更小、集成度更高、功能更优异、更加智能的产品。同时，基于同步辐射光源、散裂中子源等大科学装置的成像、谱学和衍射技术，研究人员充分利用其在亮度、空间分辨率、穿透性等方面的优异特性，发展了多种高通量、多维度、多尺度的材料表征技术，并应用于新材料微结构及其演化等研究，这进一步推动了对新材料内在机理的探索，反映出材料表征技术的重要进步。

更加关注能源与资源约束：

碳中和、碳达峰目标为新材料发展带来重大需求，使得新材料领域更加重视绿色发展，在研发、制造到应用等各个环节突出环境友好、成分简约、循环利用。新材料的发展对战略性原材料资源的依赖程度加深，且其对支撑高端装备制造、国防等起着举足轻重的作用。此外，随着社会经济发展和科学技术进步，全生命周期理念深入人心，短流程制备、稀缺元素替代、近净成形、结构功能一体化和回收技术等日益受到重视。

新材料领域基础研究的热点方向与研究进展：

1.新算法助力新材料筛选及开发

通过数据驱动的机器学习算法建立材料性能预测模型，并应用于材料筛选与新材料开发成为近年来的热点之一。例如，美国劳伦斯伯克利实验室利用卷积神经网络分析实验数据，实现对单层二硫化钨缺陷的快速绘制和识别，将原本利用传统扫描隧道显微镜所需的 23 天时间大幅缩短至 8 小时；美国杜克大学利用密度泛函理论和 AFLOW 材料数据库进行数据挖掘，探索出 28 种新型二维材料的化学组成，且这些材料在电子、磁性和拓扑方面具备卓越特性；中国科学技术大学研制出全球首个数据智能驱动的全流程机器化学家，具有更强的化学智能和广泛的化学品开发能力，目前已涵盖光催化与电催化材料、发光分子、光学薄膜材料等。

2.制备与加工技术

各类外延、沉积和极端条件下制备与加工技术的发展，使人们能够获得具有复合功能性质的新材料，推动新材料及其器件朝着低维化、复合化和材料器件一体化的方向迈进。像美国马萨诸塞大学和佐治亚理工学院通过 3D 打印制作出双相纳米结构高熵合金，其强度比传统金属铸件提升了 3 倍，具备超高强度和更高的延展性，有望应用于生物医学、航空航天等领域的高性能部件；美国东北大学开发出一种可压铸成复杂零件的全陶瓷材料，比当前的金属更轻薄、更高效，可改变手机及其他无线电部件等电子产品的散热设计和制造；美国普林斯顿大学通过对不同材料进行分层，并制备出超薄的二维覆盖层保护最脆弱的区域免受曝光，成功开发出第一个具有商业可行性的钙钛矿太阳能电池，其使用寿命超过 30 年。

3.新材料性质表征研究取得突破

借助高空间分辨、高能量分辨、高时间分辨、原位与外场作用等表征技术，开展新材料基本物理性能、化学性能及其显微结构一体化分析测试表征，能够诱导出一些新原理的揭示和新效应的发现。比如，美国麻省理工学院在碘化镍中发现“多铁性”状态，首次证实二维材料可存在多铁特性，为开发更小、更快、更有效的数据存储设备铺平了道路，有助于制造更高效的磁性记忆装置；德国尤利希研究中心首次证实二维材料中存在“费米弧”这种奇异的电子态，为新型量子材料及其在新一代自旋电子学和量子计算中的潜在应用奠定了基础；美国加州大学伯克利分校研究发现铬钴镍合金（CrCoNi）在 -253.15℃附近断裂韧性高达 459MPa·m1/2，是迄今最高的坚韧度，且随着温度下降，坚硬度和延展性反而会提升，有望在深空等低温领域发挥作用；美国麻省理工学院进一步证实了立方砷化硼具有电子和空穴的高迁移率，表明其具备理想半导体所需的主要品质，有潜力成为新一代半导体材料；美国普渡大学利用电子自旋量子位作为原子尺度的传感器，在超薄六方氮化硼中，首次对核自旋量子位进行了实验控制，有助于实现原子尺度层面的核磁共振光谱等应用。

4.新材料引发器件形态持续迭代革新

材料结构设计与性质调控的不断深入，推动电子器件朝着轻薄化、小型化、多功能化等方向持续迈进。例如，美国内布拉斯加大学林肯分校和布法罗大学利用石墨烯及氧化铬研制出全球首个利用电子自旋来表示数字信号的磁电晶体管，不仅将能耗降低 5%，还可将存储数据所需的晶体管数量减少 75%，进一步促进设备小型化；美国得克萨斯大学奥斯汀分校基于基板上的薄层相变材料，创制出首台光学纳米电机，宽度不及 100nm，可在光照下进行旋转，能作为无燃料、无齿轮的发动机，将光能转化为机械能，用于各种固态微纳机电系统；瑞士苏黎世联邦理工学院利用转角石墨烯制造出首个超导量子干涉装置，拓展了石墨烯的应用范围；劳伦斯伯克利实验室通过使用厚度只有 25nm 的 BaTiO3 薄膜，开发出新型超薄电容器，可以在 50 - 100mV 甚至更低的电压下工作，可极大降低计算机芯片运行时所需的能耗，使高能效微芯片成为可能；美国宾夕法尼亚州立大学利用 MXene/硅树脂弹性体和银纳米线 - 石墨烯泡沫纳米复合材料制成了一种可完全拉伸的摩擦纳米发电机，表现出高输出性能，能够在各种极端变形条件下稳定输出并维持数小时。

5.推进战略性原材料资源提取回收与替代

战略性原材料资源对新材料可持续发展的意义重大，原材料提取新工艺、循环利用和替代研究受到重视。美国国防部先进研究计划局启动稀土生物开采研究，利用微生物和生物分子工程相关技术，开发稀土资源分离与提纯方法，以有效利用稀土资源，填补供应链缺口；围绕利用非常规资源进行稀土元素和关键矿物提取与分离，美国莱斯大学利用粉煤灰、铝土矿残渣和电子废弃物，通过闪光焦耳加热工艺，提取有价值的稀土元素，而且产量足够高；美国艾姆斯实验室基于稀土数据库开发出机器学习模型用于评估新发现的稀土化合物的稳定性，并预测其磁性、制造工艺过程控制和力学行为优化等；美国能源部关键材料研究所开发出一种基于微结构工程制造锰铋（MnBi）磁体的新方法，向着不使用稀土制备紧凑、节能电机迈出了新的一步。

此外，其他国家也在积极探索相关路径。例如，日本在一些关键材料的替代方面不断投入研发力量，尝试通过研发新材料或改进工艺，减少对部分稀缺且供应不稳定的原材料的依赖，在电子材料领域寻找可以替代部分贵金属的功能性材料，以此降低成本并保障产业的稳定供应。欧盟一些国家则聚焦于资源回收环节，研究如何从废旧电子产品、工业废弃物等当中更高效地提取出可再利用的原材料，像荷兰在废旧电池回收处理上进行技术创新，旨在提高锂、钴等关键金属的回收率，为新能源材料产业的可持续发展提供保障。

我国同样高度重视战略性原材料资源相关问题，一方面加大对国内优势矿产资源的合理开发与高效利用，如我国稀土资源丰富，通过不断优化提炼技术、加强产业链上下游整合，提升稀土资源在新材料应用中的价值；另一方面积极布局废旧材料回收产业，鼓励企业开展循环经济模式，例如在新能源汽车退役电池回收方面，建立了相关规范和技术标准，通过拆解、再生等环节，实现电池中锂、镍、钴等关键原材料的循环再利用，减少对外依存度，同时降低新材料生产成本，推动产业绿色可持续发展。

四、启示与建议

正视短板，加强基础科学问题研究：

我国在新材料领域的发展中，存在着突出短板，一些关键性、战略性材料依旧受制于人，“卡脖子”现象严重。为满足新一代信息、能源、生物、制造等领域对新材料的需求，需切实加强材料科学与应用过程中基础科学问题的研究，不断深化理解材料结构与性能之间的关系，不断突破现有材料性能极限及功能制约，引领新材料领域不断实现原始创新和重大突破。

加强新材料前沿方向基础研究：

随着我国科研水平的不断提升，对物质本质的理解逐步深入，对新材料科技问题的研究更加前沿，相关探索工作正逐渐步入“无人区”，这意味着需要承担更大的试错成本，但也存在着取得先发优势的机遇。同时，还需继续瞄准世界科技前沿方向，前瞻布局基础研究，重视原始创新和颠覆性技术创新，抢占未来新材料竞争的制高点。此外，还需支持金属、玻璃和陶瓷等传统材料领域的基础研究，持续提升材料性能，支撑高端化应用。

重视以问题为导向的新材料开发：

我国新材料领域的基础研究需以原创性思想、变革性实践、突破性进展、标志性成果为导向，关注从国家重大战略需求、经济发展主战场中提炼出核心关键问题，强化以应用目标为导向的材料应用基础研究，努力在包括基础材料在内的多种底层技术上实现更多“从 0 到 1”的原创性突破。建议关注的问题包括：极端环境下材料与结构力学、后摩尔时代半导体能耗边界与速度极限、无机/有机—微生物相互作用机理等。

加强新材料基础研究的组织协同：

推动政府部门、大学、科研机构、企业等创新主体之间搭建协同合作网络，共同解决新材料基础研究的原理性、机理性共性问题。重视并推进材料创新研发范式变革，有效利用机器学习、材料基因组等数字技术搭建“数据驱动型”新材料研发示范平台，建设理论模拟数据库和结构数据库等，建立存储、利用等材料数据的全流程处理标准等，推动产学研用数据协同化发展。只有通过多主体协同合作，整合各方资源优势，才能在全球新材料领域竞争日益激烈的背景下，更好地提升我国新材料基础研究水平，加快新材料成果转化应用，为我国制造业高质量发展以及科技强国建设筑牢坚实的材料基础。

总之，全球新材料领域正处于快速发展与激烈竞争的阶段，各个国家和地区都在积极布局、深入探索。我国既要看到自身的优势与取得的成绩，也要清醒认识到存在的不足，通过不断加强基础研究、聚焦前沿方向、以问题为导向开展研发以及强化组织协同等举措，在新材料这个关键领域持续发力，助力我国在全球科技与经济竞争中占据更为有利的地位，实现高质量发展的长远目标。

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