金1，2蔡2蘇2范星2鄭峰2

1中國(guó)科學(xué)院

中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

在實(shí)施“中國(guó)制造”宏偉藍(lán)圖時(shí)，人們覺(jué)得材料制造業(yè)是短板，是制約綜合國(guó)力提升的瓶頸。通過(guò)對(duì)學(xué)科發(fā)展規(guī)律和現(xiàn)狀的研究，我們將認(rèn)識(shí)到創(chuàng)新材料與制造科學(xué)理論、知識(shí)體系和相關(guān)知識(shí)單元是技術(shù)科學(xué)全面發(fā)展的重要支柱。本文在闡釋其主要觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了頂層設(shè)計(jì)。

高科技對(duì)材料科學(xué)的新挑戰(zhàn)

了解金屬、陶瓷和高分子材料中常見(jiàn)的科學(xué)規(guī)律

歷史上，金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和高分子材料是分開(kāi)發(fā)展的。就其制備工藝而言，采用了“合金化”、“摻雜”、“雜化”、“混合”和“合成”等不同的術(shù)語(yǔ)。雖然這些術(shù)語(yǔ)都不能準(zhǔn)確反映新材料設(shè)計(jì)和制造的科學(xué)內(nèi)涵，但在先進(jìn)制造的影響下，這三種材料的知識(shí)正在迅速融合。

以鋼鐵為中心的物理冶金正在與陶瓷和高分子材料的物理化學(xué)相融合，而相變的研究則深入到各個(gè)層面的微觀結(jié)構(gòu)演化。例如，納米尺度的亞穩(wěn)態(tài)分解和自組裝由人工位錯(cuò)陣列控制產(chǎn)生量子阱；例如，通過(guò)相分離得到納米級(jí)的多相嵌段聚合物，其性能大大提高。這些例子都是金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和高分子材料交叉融合的新成果，是20世紀(jì)亞穩(wěn)相變理論的延伸。

高分子材料具有廣闊的前景，其研發(fā)活動(dòng)和產(chǎn)業(yè)化比金屬和無(wú)機(jī)材料更活躍、進(jìn)展更快。為了擺脫高分子材料研究中“只看樹(shù)不見(jiàn)林”的現(xiàn)狀，美國(guó)工程院院士、高分子物理學(xué)家程正迪強(qiáng)調(diào)了研究高分子材料亞穩(wěn)相變和組織演化的重要性，指出這是一個(gè)具有廣闊前景的研究領(lǐng)域。高分子物理是凝聚態(tài)物理和固態(tài)物理化學(xué)的核心。

最近，添加劑制造(如3D打印)的R&D和工業(yè)化活動(dòng)已經(jīng)擴(kuò)展到金屬、陶瓷、聚合物材料甚至活體器官。然而，世界尚未建立起從前沿研究到產(chǎn)業(yè)化的三類材料科學(xué)體系，也未能為野外作業(yè)提供知識(shí)體系和相應(yīng)的工具。如此尖銳的矛盾背后隱藏著豐富的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。

因此，了解和掌握金屬、陶瓷和高分子材料中的常見(jiàn)科學(xué)規(guī)律，形成新的知識(shí)體系，是一項(xiàng)重要的任務(wù)。

材料科學(xué)正在改變微電子芯片的設(shè)計(jì)和制造理念

在微電子芯片的制造、組裝和封裝過(guò)程中，高效率電阻、電容、電感和天線的小型化和集成化必然會(huì)涉及到界面反應(yīng)、電遷移和晶須生長(zhǎng)等科學(xué)問(wèn)題。

各種微觀結(jié)構(gòu)之間的相互作用貫穿于材料選擇、工藝設(shè)計(jì)、可靠性預(yù)測(cè)、失效機(jī)理分析、抗沖擊和防污染等一系列環(huán)節(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開(kāi)材料微觀結(jié)構(gòu)演化的核心問(wèn)題。

功能性微納米器件設(shè)計(jì)和制造中的挑戰(zhàn)

從大型組件到納米器件的設(shè)計(jì)、制造和使用，遇到的常見(jiàn)問(wèn)題有:

這是信息功能器件、能量轉(zhuǎn)換功能器件和各種微納器件設(shè)計(jì)、制造和使用全過(guò)程中不可回避的兩個(gè)問(wèn)題。如果傳感器材料的組織進(jìn)化失控，機(jī)器人可能會(huì)“精神失?！薄?/p>

器件組裝中微區(qū)形貌控制的挑戰(zhàn)

作為半導(dǎo)體、單晶葉片等制造器件的基礎(chǔ)，晶體生長(zhǎng)機(jī)理的研究在先進(jìn)制造業(yè)中遇到了新的挑戰(zhàn)。為了使器件發(fā)揮功能，需要從理論上把握組裝過(guò)程中的組織演化規(guī)律，也就是說(shuō)，要掌握從自然界的自組裝到微納器件和大型雕塑，從制造、服務(wù)到回收利用的整個(gè)過(guò)程中的組織演化規(guī)律和細(xì)節(jié)，并應(yīng)用到各種制造方法和靈活的工藝參數(shù)中。這是所有先進(jìn)制造業(yè)面臨的共同科學(xué)問(wèn)題。

例如，張立德發(fā)明的花狀氧化鎂納米結(jié)構(gòu)、堆垛層錯(cuò)周期分離硫化鋅/氧化鋅異質(zhì)結(jié)構(gòu)、用階段脈沖電沉積技術(shù)制備鉍/銻超晶格納米線等納米復(fù)合材料的制造方法，以及目前的各種微納自組裝方法，都具有在微觀尺度上控制晶面、晶體取向、缺陷等微觀結(jié)構(gòu)的自由能差，通過(guò)改變各微區(qū)的溫度梯度、對(duì)流、原子擴(kuò)散等參數(shù)來(lái)控制形貌，從而獲得

在宏觀雕塑和建筑裝配領(lǐng)域，麻省理工學(xué)院的卡特教授一方面從原子尺度模擬計(jì)算晶界自由能與組織演化的關(guān)系，另一方面從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度，他和建筑學(xué)的奧克斯曼教授利用類似于油和醋的液體分層原理模擬大型雕塑三維制造技術(shù)中的組織演化過(guò)程。

在自組裝過(guò)程中，宏觀過(guò)程和微觀自組裝相結(jié)合在理論和實(shí)踐上的重大意義不容忽視。當(dāng)化合物半導(dǎo)體的組成在化學(xué)計(jì)量比附近稍微改變時(shí)，載流子濃度和材料性質(zhì)將改變幾個(gè)數(shù)量級(jí)。陳清等人結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)演化、相平衡、缺陷化學(xué)和半導(dǎo)體性質(zhì)，建立了物理模型，評(píng)價(jià)和計(jì)算了CdTe相圖，指出通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽壓可以將CdTe組成的波動(dòng)控制在10-5范圍內(nèi)。這項(xiàng)工作的設(shè)想在于在理論上建立新的物理模型，在實(shí)踐中通過(guò)宏觀參數(shù)控制微觀過(guò)程。

物質(zhì)組織進(jìn)化理論是應(yīng)對(duì)高技術(shù)挑戰(zhàn)的共同理論基礎(chǔ)

微結(jié)構(gòu)演化貫穿所有材料，包括金屬、無(wú)機(jī)非金屬和聚合物。它貫穿材料的各種制備、實(shí)驗(yàn)和表征方法；它貫穿于從建筑、塑料雕刻、大部件到微納器件的各種尺度器件的設(shè)計(jì)、制造和使用的全過(guò)程；自然貫穿于材料和器件的設(shè)計(jì)制造以及產(chǎn)業(yè)鏈的流程之中。因此，材料組織的演化規(guī)律是材料制造設(shè)計(jì)的科學(xué)基礎(chǔ)，也是迎接高技術(shù)挑戰(zhàn)的共同理論基礎(chǔ)。

材料組織演化的內(nèi)涵孕育了不同發(fā)展階段不同材料產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的制高點(diǎn)。材料微觀結(jié)構(gòu)演化的內(nèi)涵具有開(kāi)放性和包容性，這使得人們?cè)趯?shí)踐中能夠豐富和深化對(duì)材料中不同層次微觀結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制的理解。材料的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)功能涉及到不同層次的組織演化與績(jī)效之間的關(guān)系。這些關(guān)系是材料技術(shù)科學(xué)的主線和核心，是材料和器件功能多樣性和綜合性的基礎(chǔ)，是各種材料設(shè)計(jì)和制備的共同基礎(chǔ)，是創(chuàng)新材料制造科學(xué)體系的基礎(chǔ)。

物質(zhì)組織的進(jìn)化軌跡理論及相關(guān)知識(shí)單元的發(fā)展歷史

在不同的外部條件下，材料的微觀結(jié)構(gòu)、成分和性能在時(shí)間空上的演化順序反映了材料組織的演化軌跡。它是由各種相互競(jìng)爭(zhēng)的潛在軌道組成的縱橫交錯(cuò)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

為了實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，如通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)控制獲得具有特定綜合性能的器件等，所采用的制造方法和工藝路線的設(shè)計(jì)原則集中在組織演化軌跡上，并在此基礎(chǔ)上建立直接服務(wù)于產(chǎn)業(yè)鏈的知識(shí)單元。物質(zhì)組織進(jìn)化的知識(shí)單元經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段。

第一階段:學(xué)術(shù)思想的起源

在物理冶金史上，鐵合金的相圖系統(tǒng)地表達(dá)了成分、溫度和相區(qū)之間的關(guān)系。然而，在它與熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和計(jì)算技術(shù)相結(jié)合之前，人們甚至不能理解單相區(qū)的復(fù)雜擴(kuò)散現(xiàn)象，也不能動(dòng)態(tài)描述合金鋼中的相變過(guò)程。

圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

20世紀(jì)50年代，Cahn提出了自由能密度的概念和Cahn-Hilliard方程。與此同時(shí)，麻省理工學(xué)院科恩教授的學(xué)生史長(zhǎng)旭、考夫曼和希勒特在動(dòng)態(tài)描述相變過(guò)程方面做了開(kāi)創(chuàng)性的工作。其中石長(zhǎng)旭先生在低溫馬氏體相變動(dòng)力學(xué)方面做得很出色?？挤蚵ㄟ^(guò)相圖計(jì)算闡明了鐵鎳相圖的高溫相變和低溫馬氏體相變之間的關(guān)系?？挤蚵谒l(fā)表的文章中回憶說(shuō)，“資深石長(zhǎng)旭啟發(fā)他結(jié)合熱力學(xué)、物理性質(zhì)和成核理論建立了新的理論框架”。Hillert預(yù)測(cè)了合金鋼在相變過(guò)程中成分和結(jié)構(gòu)的演變軌跡。

上述經(jīng)典學(xué)術(shù)思想，就是所謂“材料基因工程”的起源，幾十年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

第二階段:知識(shí)單元的發(fā)展期

半個(gè)世紀(jì)前，梅杰玲花了三個(gè)月的時(shí)間計(jì)算出一條相圖的結(jié)線，而柯軍先生卻以為花了八個(gè)人一年的時(shí)間測(cè)量出三元相圖等溫截面的一角。后來(lái)隨著科技的發(fā)展，組織演化的內(nèi)涵日益豐富，經(jīng)典的相變理論遇到了新的邊界條件?？鐚W(xué)科，尤其是計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，以前所未有的速度實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的互動(dòng)和反饋。

在這個(gè)背景下，一系列的概念、公式、模塊、軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)等。關(guān)注物質(zhì)組織的演化規(guī)律和信息的?，F(xiàn)在我們稱這些元素為“知識(shí)單元”。它們可以表達(dá)物質(zhì)組織演化的規(guī)律和細(xì)節(jié)。

第三階段:在開(kāi)發(fā)新知識(shí)單元的同時(shí)，建立新的科學(xué)體系

該體系的核心是將組織演化的驅(qū)動(dòng)力與組織演化程度定量聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)建熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和地形學(xué)框架，形成具有新知識(shí)單元的材料制造科學(xué)體系。這個(gè)體系是開(kāi)放包容的，展現(xiàn)了破解千年秘密，生成金屬材料領(lǐng)域批量專利的能力，但對(duì)于整個(gè)材料領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，工作才剛剛開(kāi)始。

第四階段:在創(chuàng)建新材料制造科學(xué)主體的過(guò)程中，加快前沿理論、高技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的整合

今天的新興產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)俏锢?、化學(xué)、材料科學(xué)和信息學(xué)、大數(shù)據(jù)等交叉學(xué)科和大規(guī)模技術(shù)革命的產(chǎn)物?？v橫交錯(cuò)的多軌知識(shí)體系是其靈魂。第四階段是跨越式發(fā)展的機(jī)遇，制度創(chuàng)新的作用將更加突出，應(yīng)充分發(fā)揮知識(shí)單元在實(shí)施非對(duì)稱追趕戰(zhàn)略中的作用。具體而言，將前三個(gè)階段積累的方法、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)靈活、準(zhǔn)確地落實(shí)到關(guān)鍵戰(zhàn)略材料產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)計(jì)中，使創(chuàng)造體系與材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)。

相圖計(jì)算的新趨勢(shì)反映了前沿理論、高技術(shù)和工業(yè)化迅速融合的時(shí)代趨勢(shì)。從文獻(xiàn)1所列的10多位研究人員近期的研發(fā)活動(dòng)可以看出，他們處于不同的材料領(lǐng)域和不同的發(fā)展階段，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，從不同的角度繪制自己的藍(lán)圖。他們的共同點(diǎn)是基于物質(zhì)組織進(jìn)化理論，建立了各具特色的物質(zhì)組織進(jìn)化軌跡的知識(shí)單元。

知識(shí)單元是大規(guī)模技術(shù)革命中跨學(xué)科的產(chǎn)物。它有多種解決方案，具有靈活性和通用性，可以根據(jù)需要組裝成不同的系統(tǒng)。它是材料設(shè)計(jì)與制造科學(xué)體系中所有環(huán)節(jié)的基石，是產(chǎn)業(yè)鏈中最活躍的創(chuàng)新環(huán)節(jié)，是總設(shè)計(jì)師戰(zhàn)略創(chuàng)新與創(chuàng)新之間的橋梁，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的科學(xué)支撐，是“三級(jí)跳遠(yuǎn)”向“短道速滑”轉(zhuǎn)變過(guò)程中最活躍的因素

新興產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)强鐚W(xué)科和大規(guī)模技術(shù)革命的產(chǎn)物

設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)鏈需要掌握材料群體演化的規(guī)律和細(xì)節(jié)

為什么研發(fā)成果難以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)化？這是因?yàn)椴牧系奈⒂^結(jié)構(gòu)演化過(guò)程與性能之間的關(guān)系復(fù)雜多變，對(duì)工藝參數(shù)非常敏感；但在獲得研發(fā)成果時(shí)，只找到了材料性能與工藝之間關(guān)系的一些特殊解，對(duì)于材料結(jié)構(gòu)演化的規(guī)律和細(xì)節(jié)沒(méi)有詳細(xì)的、定量的知識(shí)體系。

材料的不同功能涉及不同層次的微觀結(jié)構(gòu)變化及其與整體的關(guān)系。具體來(lái)說(shuō)，由于不同微觀結(jié)構(gòu)層之間的相互作用機(jī)制和能量差異不同，如相、相界、位錯(cuò)、空位、化學(xué)反應(yīng)和核反應(yīng)，外界條件即工藝參數(shù)的波動(dòng)會(huì)改變微觀結(jié)構(gòu)演化的順序，這是熱力學(xué)因素競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。在相變過(guò)程中，存在一系列亞穩(wěn)相相互競(jìng)爭(zhēng)的子過(guò)程，使得微觀結(jié)構(gòu)演化過(guò)程更加復(fù)雜多變，因此對(duì)工藝條件即外界變量非常敏感。

為了準(zhǔn)確制定產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，需要圍繞產(chǎn)業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈，掌握組織演化的規(guī)律和細(xì)節(jié)。這些包括功能強(qiáng)大的智能數(shù)據(jù)庫(kù)，配備了堅(jiān)實(shí)的物理模型和先進(jìn)的計(jì)算方法，不是“雜物間”或“垃圾場(chǎng)”。

目前，基于組織進(jìn)化軌跡理論已經(jīng)創(chuàng)造了一系列知識(shí)工具。它們是構(gòu)成整個(gè)物質(zhì)知識(shí)體系的知識(shí)單元。它們是由不同背景的科學(xué)家從不同角度，基于不同的物理模型，涉及不同的主要變量而開(kāi)發(fā)的。但是目前還沒(méi)有一個(gè)工具能夠適應(yīng)特定產(chǎn)業(yè)鏈的全過(guò)程的模擬和控制。

新興產(chǎn)業(yè)鏈頂層設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

新興產(chǎn)業(yè)鏈具有人才密集、知識(shí)密集、技術(shù)密集、全球化、動(dòng)態(tài)化、多軌道化、個(gè)性化等特征，其中每個(gè)環(huán)節(jié)都具有深刻的科學(xué)內(nèi)涵和廣闊的創(chuàng)新空。產(chǎn)業(yè)鏈工藝路線的設(shè)計(jì)離不開(kāi)核心科學(xué)思想、信息處理與傳播、實(shí)驗(yàn)方法、計(jì)算技術(shù)和數(shù)字支持。

新興產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)强鐚W(xué)科和大規(guī)模技術(shù)革命的產(chǎn)物

物理學(xué)家加深了對(duì)各級(jí)結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的理解，化學(xué)家從化學(xué)反應(yīng)的角度設(shè)計(jì)了各級(jí)結(jié)構(gòu)的演化順序。20世紀(jì)中期，材料科學(xué)家開(kāi)始綜合應(yīng)用熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和地形學(xué)來(lái)研究材料微觀結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程，即各個(gè)微觀結(jié)構(gòu)和成分隨時(shí)間變化的軌跡空。

先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)和信息技術(shù)可以使人們的想象力以前所未有的速度到達(dá)終點(diǎn)并迅速傳播，大大提高了優(yōu)化模型和現(xiàn)場(chǎng)交互的效率，引發(fā)了產(chǎn)業(yè)鏈的革命。

大數(shù)據(jù)可以收集和識(shí)別大量的經(jīng)驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)，作為優(yōu)化模型的輸入。此外，信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)在尋找主要變量和表達(dá)進(jìn)化規(guī)則方面也發(fā)揮著其他作用。例如，他們可以利用統(tǒng)計(jì)學(xué)、回歸和相關(guān)物理模型甚至“無(wú)模型”的方法，分析大量亞穩(wěn)態(tài)相變數(shù)據(jù)和關(guān)鍵詞，找出主要變量，設(shè)計(jì)工藝路線，在相互反饋的過(guò)程中理解其科學(xué)內(nèi)涵，從而實(shí)現(xiàn)更高層次的信息學(xué)、數(shù)學(xué)方法和物理模型的融合及其在產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用。

世界新材料制造科學(xué)體系建立的借鑒

材料與制造科學(xué)的核心理論反映了材料組織演化的一般規(guī)律。它可以包含材料各結(jié)構(gòu)層次的相互作用和演化細(xì)節(jié)，內(nèi)容豐富；并且可以通過(guò)知識(shí)單元應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。因此，一系列縱橫交錯(cuò)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，穿插著經(jīng)典理論、高科技、產(chǎn)業(yè)化，由材料與制造科學(xué)的核心理論組成，是材料與器件制造的路線圖，是引領(lǐng)制造強(qiáng)國(guó)的燈塔。

在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，在從不同角度構(gòu)建知識(shí)單元和形成知識(shí)體系的過(guò)程中，科學(xué)家們?yōu)槲磥?lái)的新材料制造科學(xué)體系描繪了一幅逐漸清晰的畫(huà)面，可以作為我們創(chuàng)建新材料制造科學(xué)體系的參考。

材料熱力學(xué)的創(chuàng)新

20世紀(jì)中葉以來(lái)，一些科學(xué)家開(kāi)展了全面發(fā)展材料科學(xué)的工作。他們?cè)谖锢韺W(xué)前沿的基礎(chǔ)上，從熱力學(xué)的角度對(duì)材料科學(xué)的成果進(jìn)行了系統(tǒng)化，旨在建立一個(gè)更具邏輯性、自洽性和精細(xì)化的新的理論體系，從而具有更強(qiáng)的滲透實(shí)際問(wèn)題的能力，期望對(duì)整個(gè)技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域起到重要的推動(dòng)作用。

圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

從理論創(chuàng)新的角度來(lái)看，它是基于組織進(jìn)化的科學(xué)性，通過(guò)物理模型和函數(shù)的建立，經(jīng)典熱力學(xué)中相關(guān)變量的創(chuàng)新表達(dá)，以及材料熱力學(xué)體系的創(chuàng)建。

創(chuàng)新理論體系實(shí)例

Hillert (g =-∫ DD ξ)提出的相變驅(qū)動(dòng)力、系統(tǒng)自由能變化與微觀結(jié)構(gòu)演化程度的關(guān)系規(guī)律，集熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論于一體，是綜合描述材料各相在不同外界條件下演化過(guò)程的基本框架。

在此基礎(chǔ)上，建立了以相圖計(jì)算為代表的理論體系和知識(shí)單元，在闡明金屬材料的組織演化過(guò)程、開(kāi)發(fā)新材料和產(chǎn)業(yè)化等方面取得了顯著成果，正在向無(wú)機(jī)和高分子材料領(lǐng)域拓展。

新材料制造科學(xué)中的知識(shí)體系

目前，在開(kāi)發(fā)新材料的過(guò)程中，大多數(shù)第一性原理計(jì)算的結(jié)果被用作優(yōu)化技術(shù)路線的輸入。真正的突破在于組織演化規(guī)律和細(xì)節(jié)從量子力學(xué)到制造科學(xué)宏觀層面的深度整合。

麻省理工學(xué)院的塞德?tīng)?Ceder)、賓夕法尼亞州立大學(xué)的劉和西北大學(xué)的奧爾森(Olson)的工作體現(xiàn)了前沿理論、高技術(shù)和新材料研發(fā)的系統(tǒng)化。塞德?tīng)柾ㄟ^(guò)相圖計(jì)算預(yù)測(cè)了磷酸鐵鋰的熱分解路線，并系統(tǒng)分析了薛定諤方程、密度泛函理論、VASP、相圖計(jì)算、R&D路線設(shè)計(jì)與鋰電池材料發(fā)展全鏈之間的關(guān)系。

圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

相當(dāng)多的例子表明，創(chuàng)新的知識(shí)體系有能力破解千年秘密，產(chǎn)生批量專利。

走中國(guó)之路，創(chuàng)建科學(xué)的新材料制造體系

避免頂層設(shè)計(jì)中的誤解

現(xiàn)在很多自發(fā)的、自由的科研計(jì)劃往往來(lái)源于鎖定單一目標(biāo)，采用“外推”、“疊加”的單一方法，對(duì)所涉及的科學(xué)問(wèn)題缺乏細(xì)致的考察和辯證的分析，從而失去學(xué)科整合的權(quán)利，削弱培育制高點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)力，這是頂層設(shè)計(jì)的誤區(qū)。如果不充分發(fā)揮社會(huì)主義大國(guó)的優(yōu)勢(shì)，個(gè)別項(xiàng)目的超越很容易被整體超越，從而錯(cuò)失戰(zhàn)略機(jī)遇。因此，創(chuàng)新體系必須以頂層設(shè)計(jì)為指導(dǎo)思想，從國(guó)家戰(zhàn)略需求出發(fā)，使創(chuàng)新理論更具普遍性，從而在創(chuàng)新過(guò)程中提高全民族的科學(xué)素質(zhì)。

頂層設(shè)計(jì)應(yīng)以整體觀和歷史觀為基礎(chǔ)

隨著科技的大規(guī)模革命和互聯(lián)網(wǎng)信息的暢通，全球資源配置是由科學(xué)和經(jīng)濟(jì)規(guī)律決定的。如果創(chuàng)新知識(shí)體系的頂層設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)有的學(xué)科目錄、行業(yè)名稱、媒體熱點(diǎn)，無(wú)異于雕舟求劍。

今天，我們要特別關(guān)注科學(xué)的歷史性和時(shí)代性，整個(gè)技術(shù)科學(xué)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)涵也在與時(shí)俱進(jìn)，這就要求我們以實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向，關(guān)注歷史和全局中的跨學(xué)科，把握與該領(lǐng)域相關(guān)的學(xué)科發(fā)展總趨勢(shì)；充分開(kāi)發(fā)和綜合評(píng)價(jià)各種R&D路線，洗牌分析前沿技術(shù)和大量知識(shí)單元，挖掘它們之間的科學(xué)聯(lián)系，智能調(diào)用各種知識(shí)單元，并在此基礎(chǔ)上提出完整、系統(tǒng)、創(chuàng)新的頂層設(shè)計(jì)。

頂層設(shè)計(jì)應(yīng)該具有前瞻性

整個(gè)科技領(lǐng)域是一個(gè)完整的統(tǒng)一體，前瞻性的能力將激勵(lì)我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)新的知識(shí)單元，抓住靈感的即時(shí)性、途徑的隨機(jī)性和路徑的不確定性所蘊(yùn)含的問(wèn)題有多個(gè)解決方案的契機(jī)，充分發(fā)揮材料科學(xué)在整個(gè)科技領(lǐng)域全面協(xié)調(diào)發(fā)展中的支撐作用。例如，在第二次工業(yè)革命中，資源的濫用對(duì)人類的生存環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。深層次的原因在于對(duì)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的熵增及其對(duì)環(huán)境的影響缺乏前瞻性的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

今天，在能源技術(shù)科學(xué)、生態(tài)文明和綠色工程領(lǐng)域，為了從眾多候選工藝路線中選出最佳路線，更需要基于科學(xué)規(guī)律對(duì)各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并建立相應(yīng)的知識(shí)體系。

頂層設(shè)計(jì)需要?jiǎng)討B(tài)協(xié)調(diào)各部分之間的關(guān)系

創(chuàng)新知識(shí)體系的核心部分應(yīng)體現(xiàn)前瞻性的學(xué)術(shù)思想和堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。知識(shí)體系創(chuàng)新的過(guò)程也是一個(gè)不斷跨學(xué)科、與實(shí)踐反饋、在實(shí)踐中不斷完善頂層設(shè)計(jì)的過(guò)程。在其發(fā)展過(guò)程中，部分鏈條暫時(shí)只能靠經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)來(lái)彌補(bǔ)。也就是說(shuō)，整個(gè)創(chuàng)新知識(shí)體系的所有環(huán)節(jié)以及它們與產(chǎn)業(yè)鏈之間都必須具有協(xié)調(diào)、反饋、迭代和優(yōu)化的功能，并由相應(yīng)的人才來(lái)運(yùn)作。

理解科學(xué)規(guī)律是制定路線圖的基礎(chǔ)

為了使中國(guó)制造業(yè)在2025年進(jìn)入世界前列，有必要對(duì)先進(jìn)制造業(yè)中常見(jiàn)的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行理論創(chuàng)新和系統(tǒng)創(chuàng)新。

中國(guó)在基礎(chǔ)和關(guān)鍵材料領(lǐng)域與國(guó)際的差距有多少年？我們不會(huì)問(wèn)這樣的問(wèn)題，而是尋找從根本上迎頭趕上的方法。在掌握四個(gè)階段的總體情況的基礎(chǔ)上，針對(duì)具體問(wèn)題創(chuàng)造新的知識(shí)單元和科學(xué)體系，就有可能獲得多種解決方案，找到趕上具體問(wèn)題的捷徑。要落實(shí)平行和非對(duì)稱追趕戰(zhàn)略的新思路，協(xié)調(diào)好一系列關(guān)系，如以下四個(gè)方面:

協(xié)調(diào)科學(xué)體系中創(chuàng)新環(huán)節(jié)之間的關(guān)系

建立科學(xué)體系的過(guò)程包括提出學(xué)術(shù)思想、建立物理模型、創(chuàng)造新功能、開(kāi)發(fā)計(jì)算技術(shù)等。，并將這些創(chuàng)新環(huán)節(jié)進(jìn)一步連接成一個(gè)知識(shí)體系。在這個(gè)過(guò)程中，這些環(huán)節(jié)和相關(guān)知識(shí)單元需要反復(fù)探索、迭代和優(yōu)化。

協(xié)調(diào)科學(xué)體系中的精細(xì)化理論框架與產(chǎn)業(yè)鏈中的海量信息之間的關(guān)系

物質(zhì)組織演化公式是一個(gè)簡(jiǎn)潔的框架，包括三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的函數(shù):系統(tǒng)自由能、組織演化的驅(qū)動(dòng)力和演化程度。當(dāng)進(jìn)入不同的物質(zhì)領(lǐng)域時(shí)，涉及到力、電、磁、熱、光、聲等功能。，也就是說(shuō)，它涉及到不同層次的組織演化與績(jī)效的關(guān)系。這時(shí)候就需要通過(guò)創(chuàng)建不同的物理模型來(lái)創(chuàng)建新的功能。在設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)鏈時(shí)，為了協(xié)調(diào)全球化、動(dòng)態(tài)化、多軌道化和個(gè)性化之間的關(guān)系，需要將與組織演化相關(guān)的功能具體化為制造方法中的數(shù)百個(gè)過(guò)程參數(shù)和服務(wù)和回收過(guò)程中的環(huán)境參數(shù)，其中包含大量的信息和數(shù)據(jù)。

協(xié)調(diào)科學(xué)體系中各個(gè)學(xué)科之間的關(guān)系

為了進(jìn)行理論體系創(chuàng)新，有必要確定先進(jìn)計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)和信息學(xué)等學(xué)科之間的連接點(diǎn)。

“協(xié)調(diào)發(fā)展是成功的關(guān)鍵”

為了創(chuàng)新和協(xié)調(diào)上述關(guān)系，必須動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)我國(guó)創(chuàng)新模式中創(chuàng)新主體之間的關(guān)系，即國(guó)家意志、總設(shè)計(jì)師的戰(zhàn)略創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、知識(shí)單元?jiǎng)?chuàng)新和全民創(chuàng)新；協(xié)調(diào)科技創(chuàng)新、制度創(chuàng)新和管理創(chuàng)新的關(guān)系。這就是中國(guó)特色創(chuàng)新大格局的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。走中國(guó)道路是歷史的必然，中國(guó)道路在特定領(lǐng)域的科學(xué)內(nèi)涵必然豐富多彩。

五大發(fā)展理念和不對(duì)稱追趕戰(zhàn)略、平行戰(zhàn)略的新理念，必將使我們?cè)趨f(xié)調(diào)各種關(guān)系、創(chuàng)建體系、制定路線圖的過(guò)程中，視野開(kāi)闊、方式多樣、信心十足。同時(shí)也使五個(gè)發(fā)展理念有了更堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，更豐富的學(xué)科內(nèi)涵，更鮮明的時(shí)代特征，同時(shí)也煥發(fā)出更加強(qiáng)大的生命力。

包含創(chuàng)新系統(tǒng)的示例

添加劑制造、高通量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法、極端條件下材料的行為都與不同外部(可變)條件下材料組織演化的理論問(wèn)題有關(guān)，說(shuō)明材料組織演化的輻射能力在高技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化中非常強(qiáng)。深入分析科學(xué)聯(lián)系，找出規(guī)律，建立新的理論體系和知識(shí)單元，是對(duì)青年科學(xué)家智慧和勇氣的新挑戰(zhàn)，不僅發(fā)展了理論，而且解決了廣泛的實(shí)踐問(wèn)題。

建立新材料制造科學(xué)體系的戰(zhàn)略目標(biāo)和路線圖

戰(zhàn)略目標(biāo)和路線圖

開(kāi)始制定金屬、陶瓷和聚合物組織進(jìn)化科學(xué)體系的頂層設(shè)計(jì)

目前，人們對(duì)金屬、陶瓷、高分子材料的一般科學(xué)規(guī)律以及這些材料和器件的潛在和隱患還不夠了解。世界上沒(méi)有一個(gè)知識(shí)體系貫穿從基礎(chǔ)理論、高科技到工業(yè)化的過(guò)程。因此，掌握金屬、陶瓷和高分子材料的共同科學(xué)規(guī)律，形成新的知識(shí)體系，是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

到2020年，先進(jìn)基礎(chǔ)材料和關(guān)鍵戰(zhàn)略材料的科技水平將進(jìn)入世界前列

“十三五”期間，國(guó)內(nèi)外具有世界先進(jìn)水平的知識(shí)單元將創(chuàng)造性地滲透到先進(jìn)基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料的制造、R&D和產(chǎn)業(yè)化中，滲透到制造強(qiáng)國(guó)綠皮書(shū)和與材料相關(guān)的重大項(xiàng)目中。關(guān)鍵材料是指鎳基高溫合金、鈦合金、特殊鋼、稀土材料、鋁、鎂、高溫陶瓷、核武器、核反應(yīng)堆、核廢料等。；關(guān)鍵技術(shù)是快速凝固技術(shù)、熱障涂層材料制備技術(shù)、晶體生長(zhǎng)、形貌控制和自組裝技術(shù)。這是培養(yǎng)具有廣闊視野的人才，增強(qiáng)顧全大局的能力，打造材料制造科技體系，使之在實(shí)踐中扎根中國(guó)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是整個(gè)戰(zhàn)略的決定性階段。成功完成這一階段可以為中國(guó)的發(fā)展贏得10多年的時(shí)間。

到2020年，初步建立具有世界先進(jìn)水平的無(wú)機(jī)功能材料和微納米器件科學(xué)體系

先進(jìn)無(wú)機(jī)功能材料領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)新成果，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。中國(guó)在研發(fā)、專利、產(chǎn)業(yè)化方面取得了成績(jī)，但整體實(shí)力不強(qiáng)。世界上現(xiàn)有的知識(shí)體系已經(jīng)不能滿足材料領(lǐng)域的發(fā)展需求。因此，創(chuàng)造從經(jīng)典理論、高技術(shù)到產(chǎn)業(yè)化的具有世界先進(jìn)水平的知識(shí)單元和技術(shù)體系，將是當(dāng)前國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。建議我國(guó)以典型功能材料為切入點(diǎn)，建立從量子到宏觀溝通的新材料設(shè)計(jì)科學(xué)體系。

措施和操作

有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和管理部門(mén)圍繞大局密切配合

如本文第五部分所述，新材料和科學(xué)體系的建立應(yīng)遵循中國(guó)道路，協(xié)調(diào)各創(chuàng)新主體之間的關(guān)系。在操作過(guò)程中，要長(zhǎng)期堅(jiān)持對(duì)全球趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)情況的調(diào)查研究。建議建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)領(lǐng)導(dǎo)小組牽頭協(xié)調(diào)創(chuàng)建新材料科學(xué)體系工作，各部門(mén)密切配合。比如請(qǐng)國(guó)家專利局整理材料與制造領(lǐng)域的敏感專利及其科學(xué)問(wèn)題，按重大項(xiàng)目提出具體需求，請(qǐng)國(guó)家自然科學(xué)基金提出項(xiàng)目指南或說(shuō)明，請(qǐng)中科院、工程院、社科院、教育部提供咨詢服務(wù)。

“十三五”期間的應(yīng)急措施

改革開(kāi)放以來(lái)培養(yǎng)的人才隊(duì)伍，應(yīng)該擔(dān)負(fù)起完成十三五決定性階段的任務(wù)。建議運(yùn)營(yíng)方案由中國(guó)物理學(xué)會(huì)相圖專業(yè)委員會(huì)提出，每年聚集數(shù)百名研究生，擁有國(guó)際優(yōu)勢(shì)的研究人員數(shù)量。目前國(guó)內(nèi)一些好的數(shù)據(jù)庫(kù)還沒(méi)有和R&D溝通，還沒(méi)有嘗試產(chǎn)業(yè)化。中國(guó)物理學(xué)會(huì)相圖專業(yè)委員會(huì)與相關(guān)單位聯(lián)合組織基礎(chǔ)知識(shí)班、知識(shí)工具培訓(xùn)班、典型案例分析班，可以學(xué)習(xí)和掌握解決一些重要問(wèn)題的學(xué)術(shù)思想、基礎(chǔ)知識(shí)和知識(shí)工具。如鎳基高溫合金和某些特殊鋼的工藝分析，熱障涂層的設(shè)計(jì)，三維工藝中微觀組織演變過(guò)程的分析，鋁合金熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用，以及相關(guān)單位委托的項(xiàng)目等。預(yù)計(jì)該單位將創(chuàng)造性地將國(guó)內(nèi)外具有世界先進(jìn)水平的知識(shí)單元應(yīng)用于先進(jìn)基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料的制造、研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

金材料科學(xué)技術(shù)專家，中國(guó)科學(xué)院院士，中南大學(xué)教授。1938年11月生于廣西荔浦，1960年畢業(yè)于中南礦冶學(xué)院，1963年畢業(yè)于中南礦冶學(xué)院，2003年當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士。主要從事相圖熱力學(xué)和相變動(dòng)力學(xué)。發(fā)展了不同結(jié)構(gòu)特征相的熱力學(xué)模型和相圖優(yōu)化計(jì)算方法，構(gòu)建了金屬合金、氧化鋯基陶瓷和人工晶體材料的一系列相圖。發(fā)展了研究相圖等溫截面和等溫四面體的多元擴(kuò)散耦合方法，用一個(gè)樣品即可獲得三元相圖等溫截面和無(wú)擴(kuò)散的亞穩(wěn)相變區(qū)等信息。建立了階段性亞穩(wěn)相變理論，揭示了某些鐵合金中各種亞穩(wěn)相的相變機(jī)理?；谝圆煌瑹崃W(xué)變量為坐標(biāo)的相圖，研究了各種動(dòng)力學(xué)通道，建立了模擬材料微觀結(jié)構(gòu)演化過(guò)程的理論框架，可用于預(yù)測(cè)和闡明合金的非晶形成區(qū)域、復(fù)合材料的界面反應(yīng)過(guò)程以及熱腐蝕產(chǎn)物的形成條件。

金、蔡、蘇、范星、鄭峰。走中國(guó)之路構(gòu)建新材料制造科學(xué)體系——論材料科學(xué)與新興產(chǎn)業(yè)鏈的全面發(fā)展。中國(guó)科學(xué)院院刊，2016，31(11): 1244-1252。

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