盧柯：材料科技發展新趨勢

　　材料是人類生存和社會發展的物質基礎，它既包括日常廣泛使用的水泥、陶瓷、玻璃、金屬、木材和高分子材料，也包括那些通過創新工藝制造出的具有特殊性能和功能的材料，如納米材料、光電子材料、量子材料、超材料等。材料是一個既古老又充滿活力的科技領域。從歷史上看，人類從使用天然材料的石器時代開始，材料科技的進步推動著人類文明不斷走向銅器時代、鐵器時代和硅時代（電子時代）。現在，鋼鐵和水泥的制造與使用仍被看作是一個國家工業發展水平的重要指標；碳纖維、高溫合金、隱身材料、激光晶體等先進材料發展水平則被視為一個國家國防技術水平的標志。而未來，正如湯森路透所言：“材料研究中的革命性發現會使21世紀人類社會和人們生活方式產生深遠的變化。”

　　材料科技是一個多學科交叉融合的領域，它的發展既依賴于數學、物理、化學、生物學等基礎學科的發展，同時也與機械工程、信息工程、裝備與制造技術、航空航天、汽車、核電等工業技術緊密相連。因此，材料科技一直是近一個世紀以來世界上幾個最重要的科技領域之一。各發達國家無不把材料科技放在至關重要的位置進行規劃和部署，涌現出一批像美國的橡樹嶺國家實驗室和洛斯阿拉莫斯國家實驗室、日本國立材料科學研究所、德國馬普學會鋼鐵研究所等世界知名的材料研究機構。世界上絕大多數研究型大學均設立了材料院系，以滿足工業發展對大量材料領域人才的需求。近年來，基于再工業化以及鞏固科技領先優勢的需要，美歐日等多國加大了對材料研發的頂層設計和規劃，相繼發布了“材料基因組計劃”“材料發展路線圖”“冶金歐洲”等發展規劃，并投入巨資推動材料科技的加速發展。

　　傳統意義上材料科技的主要任務是研究材料成分、制備與加工、組織結構、性能和使役行為等要素以及它們之間的相互關系，以發現新的材料或對現有材料進行性能和功能提升。隨著經濟社會發展對材料需求的不斷變化和相關學科領域的發展，近年來材料研究呈現出一些新的發展趨勢。

　　材料技術與納米技術、信息技術的深度融合使人們對材料結構性能的認識更加深入，對材料制備過程和功能調控更加精準。隨著計算技術和各種分析測試技術的發展，人們已經可以觀察和測試材料中單個原子的行為，可以進一步理解材料性能與成分、組織結構之間的關系，并通過跨尺度構筑與組織結構調控提高材料的綜合性能或者獲得特殊性能材料。納米技術實現了材料在納米尺度上的制備、測試、結構調控、性能表征。以碳納米材料（如石墨烯、納米碳管等）為代表的大量納米材料，由于結構尺寸接近電子的相干長度而表現出奇特的電、熱、光、磁性能。金屬材料的結構納米化可使其強度提高10倍以上，大大拓寬了金屬材料的性能和用途。信息技術與材料制備技術的融合，使材料微觀結構的定量調控能力不斷提高，從而實現各類性能和可靠性的定量可控。

　　降低材料制備與使用各環節的能耗物耗及環境污染，降低材料全壽命成本，滿足可持續發展需求。人類社會由于工業快速發展需要使用大量的材料，帶來原材料短缺尤其是稀貴元素匱乏、能源大量消耗和溫室氣體排放等一系列問題。如何實現材料的可持續發展已成為材料科學家們關注的焦點。降低材料及器件制備與使用各環節的能耗、物耗，重視回收與再利用，發展替代稀貴和有毒元素的方法，成為材料科技的前沿方向。在中國科學院2009年發布的《中國至2050年先進材料科技發展路線圖》中我們提出，應對材料從原料、部件、系統再到廢料回收利用全壽命周期的能耗、物耗及對環境的影響進行綜合評估，以降低材料的全壽命成本。2012年英國劍橋大學一些學者通過對以鋼和鋁為代表的金屬材料從礦石的開采、冶煉、加工、有效使用和循環等各個環節的能耗、物耗、氣體排放進行全周期分析，提出了類似的概念和觀點，推動材料可持續發展。

　　探索新材料原理，發展新制備技術，減少材料對稀貴元素的依賴。能源、軍工、航空航天、電子等諸多領域所需的高性能材料往往需要消耗大量的稀貴元素。例如，計算機、高性能顯示屏、移動電話、電力馬達、鋰離子電池、光電催化等所用的功能材料，主要靠稀土或稀貴金屬元素實現性能的提升。但地球上稀貴元素儲量有限，其戰略重要性與日俱增。有數據顯示，全世界稀貴金屬已探明的靜態可采儲量可開采年限分別是：釩233年、鈾110年、鈦95年、鎢64年、鉬42年、鍺40年、銻24年、金18年、銀16年、銦10年。同時，開采和提純這些稀貴金屬也加重了對環境的破壞。此外，一些現有材料通過添加有毒元素以達到性能目標，給環境和人類健康帶來不利影響。在加緊儲存稀貴元素的同時，世界各國也在發展替代稀貴元素和有毒元素的材料技術。例如，日本2007年啟動的“元素戰略計劃”，就是為推動研制稀貴元素替代物的一種嘗試。