自然基金委發布高性能材料基礎研究重大研究項目指南

國家自然科學基金委員會現發布功能基元序構的高性能材料基礎研究重大研究計劃2022年度項目指南，請申請人和依托單位按項目指南中所述的要求和注意事項申請。

國家自然科學基金委員會

2022年10月18日

功能基元序構的高性能材料基礎研究重大研究計劃2022年度項目指南

　　功能基元序構的高性能材料是指以功能基元為基本單元，通過空間序構構成具有突破性、顛覆性宏觀性能的高性能材料。“功能基元”是在原子/分子尺度和宏觀尺度之間引入具有特定功能的中間結構單元，序構指“功能基元”通過人工設計制造而成的特定的空間堆垛、排列方式，如有序結構、長/短程有序結構、梯度結構等。功能基元序構的材料可以突破元素種類的限制，為探索具有變革性和顛覆性的高性能材料提供了更大的空間。

　　一、科學目標

　　本重大研究計劃瞄準材料科學前沿，通過功能基元序構構建高性能新材料，滿足信息、結構、能源等應用領域對材料的需求，解決其中的關鍵科學問題與技術問題，揭示功能基元序構材料中蘊含的規律，建立相應的理論，發展材料設計的新原理和先進制備技術，逐步實現按需設計變革性和顛覆性新材料的目標。在此基礎上，探索和發展“功能基元序構的高性能材料”的研究新范式，提高我國在國際材料科學前沿的整體創新能力。

　　二、核心科學問題

　　本重大研究計劃將組織材料、信息、數理、化學等學科的科學家共同開展研究，擬解決的核心科學問題如下：

　　（一）功能基元的本征特性（如物理化學性質、微納結構、形態、尺寸、分布等）對宏觀性能的影響規律及其調控機理。關注功能基元的臨界尺寸效應和量子限域效應；明確功能基元（如鐵電疇、鐵磁疇、孿晶、組分、結構、低維量子材料、人工諧振單元等）與材料宏觀性能（如力、熱、光、聲、電、磁）之間的關聯；發現和構筑影響材料宏觀新奇物性的關鍵功能基元。

　　（二）序構對材料宏觀性能優化增強的作用規律。研究序構（如有序結構、長/短程有序結構、梯度結構、無序結構等）引發的功能基元間的耦合、增強效應；明晰序構對材料宏觀性能的影響機制。

　　（三）功能基元序構的協同關聯效應。揭示功能基元序構的協同關聯作用機制；發現超越功能基元本身的高性能甚至全新的性能；闡明“功能基元+序構”與宏觀性能的關聯；建立按需設計功能基元序構的高性能材料的方法。

　　（四）功能基元序構高性能材料的制備科學與表征技術。發展“自上而下”“自下而上”制備功能基元序構高性能新材料的方法與技術；發展人工序構材料的結構和性能表征技術。

　　三、2022年度資助研究方向

　　（一）功能基元序構新材料的設計理論、方法和物理基礎。

　　1. 研究“功能基元-人工序構-超越性能”三者之間關系的物理基礎，探索功能基元序構導致變革性材料的新規律、新理論和計算方法。包括功能基元結構和性能（力、熱、光、聲、電、磁等）的特征尺寸效應、量子限域效應等；基元之間的關聯和耦合效應；序構導致的合作、增強和突現性效應等。

　　2. 基于功能基元序構的突破性和變革性新材料體系，發展功能基元序構高性能材料的系統性設計理論和逆向設計方法，形成相應的設計軟件和數據庫等。

　　（二）下一代信息技術核心材料及器件。

　　1. 為滿足下一代信息系統應用的迫切需求，探索解決光波和電磁波等信息載體在發射、探測和成像中的瓶頸問題, 發展基于“功能基元+序構”的太赫茲波段的高效輻射及探測材料和原型器件。研究如下高性能材料及器件：室溫條件下，工作頻率范圍在0.6-1THz的高功率、連續波輸出的自由電子太赫茲相干輻射器件；基于二維電子柵控小尺度可編碼有源動態超構表面的高速高階太赫茲調制器；基于人工表面等離激元超構材料的太赫茲片上高通量信道傳輸原型器件；工作頻率范圍在0.1-6THz、具有大動態范圍和高輻射功率、在通訊波段下工作的光電導太赫茲源和探測器。

　　2. 發展基于紫外光學材料的超構透鏡設計方法和加工技術，制備大尺寸、多陣元、高效率的紫外超構透鏡光學系統原型器件。

　　3. 調控極性拓撲疇的自發序構，研究和發現拓撲疇三維空間的原子構型及其新奇特性（如負電容、太赫茲諧振等效應），制備可重構、低功耗、高集成度的新型信息功能器件。

　　（三）超高性能結構材料。

　　1. 發展針對高性能結構材料的功能基元序構的理論方法，建立相關的理論模型和設計軟件。重點研究高性能結構材料中功能基元的特征尺寸、序構方式與宏觀力學性能之間的定量關系，探索序構后功能基元間的耦合所呈現的強韌化新效應，發展相應的數值模擬方法，研發先進的材料制備技術；通過研究高性能材料的變形、斷裂等力學行為，驗證設計理論與方法的實用性，形成功能基元序構高性能結構材料的逆向設計和優化方法、軟件和數據庫等。

　　2. 為滿足航空航天和國家重大工程等應用的迫切需求，基于“功能基元+序構”的途徑，重點解決傳統材料強度與塑性和韌性的矛盾，發展出綜合性能優異的金屬和無機材料及其制備技術；發現超輕、超彈、超強、高溫隔熱、吸/透波等新材料，滿足極端服役條件對材料性能的苛刻要求，加強對結構-功能一體化塑性陶瓷的探索。

　　（四）面向未來的高性能能量轉換與存儲新材料及器件。

　　1. 研究功能基元序構熱電材料中電子/聲子相互作用動力學的新過程、新機制、新規律和新效應，為新一代熱電材料的結構設計和創制、熱電性能的顛覆性突破提供重要的理論指導；設計和制備多場作用的電-磁-熱多功能基元序構而成的熱電材料，研究序參量互作用增強的耦合效應，發展高效固態制冷材料。

　　2. 基于功能基元序構新原理，研究用于固態電池、光電轉化和高效催化的關鍵材料及器件。

　　四、項目遴選的基本原則

　　為確保實現總體科學目標，本重大研究計劃要求申請項目的研究內容必須符合本指南要求，圍繞“功能基元+序構”的研究思路，以“突破性”“顛覆性”性能為研究導向，提煉其中的基礎科學問題，開展創新性研究。

　　（一）在申請書中需要明確“功能基元”和“序構”的定義。“功能基元”的性能可以是尋常的，但“功能基元+序構”導致的宏觀材料的性能應該超越功能基元本身，力爭實現變革性或顛覆性性能。

　　（二）提出并研究“功能基元+序構”導致新效應和高性能的科學和技術問題。

　　（三）要明確對實現本重大研究計劃總體科學目標和解決核心科學問題的貢獻。

　　（四）鼓勵開展實質性的國際合作。

　　五、2022年度資助計劃

　　對于有比較好的創新性研究思路或比較好的苗頭但尚需一段時間探索研究的申請，將以培育項目方式予以資助。鼓勵對功能基元序構材料基本原理、材料逆向設計、太赫茲材料器件和超高性能結構材料方向的探索性研究。2022年度擬資助培育項目10項，直接費用平均資助強度約60萬元/項，資助期限為3年，培育項目申請書中研究期限應填寫“2023年1月1日－2025年12月31日”。

　　對于有較好研究基礎和積累、有明確的重要科學問題需要進一步深入系統研究、體現學科交叉特征的申請，將以重點支持項目的方式予以資助。2022年度擬資助重點支持項目8項，直接費用平均資助強度約300萬元/項，資助期限為4年，重點支持項目申請書中研究期限應填寫“2023年1月1日－2026年12月31日”。

　　六、申請要求及注意事項

　　（一）申請條件。

　　本重大研究計劃項目申請人應當具備以下條件：

　　1.具有承擔基礎研究課題的經歷；

　　2.具有高級專業技術職務（職稱）。

　　在站博士后研究人員、正在攻讀研究生學位以及無工作單位或者所在單位不是依托單位的人員不得作為申請人進行申請。

　　（二）限項申請規定。

　　執行《2022年度國家自然科學基金項目指南》“申請規定”中限項申請規定的相關要求。

　　（三）申請注意事項。

　　申請人和依托單位應當認真閱讀并執行本項目指南、《2022年度國家自然科學基金項目指南》和《關于2022年度國家自然科學基金項目申請與結題等有關事項的通告》中相關要求。

　　1. 本重大研究計劃項目實行無紙化申請。申請書提交日期為2022年11月18日－11月23日16時。

　　（1）申請人應當按照科學基金網絡信息系統中重大研究計劃項目的填報說明與撰寫提綱要求在線填寫和提交電子申請書及附件材料。

　　（2）本重大研究計劃將緊密圍繞核心科學問題，對多學科相關研究進行戰略性的方向引導和優勢整合，成為一個項目集群。申請人應根據本重大研究計劃擬解決的核心科學問題和項目指南公布的擬資助研究方向，自行擬定項目名稱、科學目標、研究內容、技術路線和相應的研究經費等。

　　（3）申請書中的資助類別選擇“重大研究計劃”，亞類說明選擇“培育項目”或“重點支持項目”，附注說明選擇“功能基元序構的高性能材料基礎研究”，根據申請的具體研究內容選擇相應的申請代碼。

　　培育項目和重點支持項目的合作研究單位不得超過2個。

　　（4）申請人在申請書“立項依據與研究內容”部分，應當首先說明申請符合本項目指南中的資助研究方向，以及對解決本重大研究計劃核心科學問題、實現本重大研究計劃科學目標的貢獻。

　　如果申請人已經承擔與本重大研究計劃相關的其他科技計劃項目，應當在申請書正文的“研究基礎與工作條件”部分論述申請項目與其他相關項目的區別與聯系。

　　2. 依托單位應當按照要求完成依托單位承諾、組織申請以及審核申請材料等工作。在2022年11月23日16時前通過信息系統逐項確認提交本單位電子申請書及附件材料，并于11月24日16時前在線提交本單位項目申請清單。

　　3. 其他注意事項。

　　（1）為實現重大研究計劃總體科學目標和多學科集成，獲得資助的項目負責人應當承諾遵守相關數據和資料管理與共享的規定，項目執行過程中應關注與本重大研究計劃其他項目之間的相互支撐關系。

　　（2）為加強項目的學術交流，促進項目群的形成和多學科交叉與集成，本重大研究計劃將每年舉辦一次資助項目的年度學術交流會，并將不定期地組織相關領域的學術研討會。獲資助項目負責人有義務參加本重大研究計劃指導專家組和管理工作組所組織的上述學術交流活動。

　　（四）咨詢方式。

　　國家自然科學基金委員會

　　工程與材料科學部材料科學一處

　　聯系電話：010-62327144