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(lèi)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(xiàn)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?！?。

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(xiàn)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(lèi)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(xiàn)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(xiàn)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。考夫曼通過(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。考夫曼在他發(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(xiàn)，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(chēng)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(zhuān)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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)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(zhuān)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(chēng)、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(xiàn)，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(lèi)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(xiàn)中選出最佳路線(xiàn)，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(xiàn)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(chēng)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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)圖

戰(zhàn)略目標(biāo)和路線(xiàn)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(zhuān)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(mǎn)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(zhuān)利局整理材料與制造領(lǐng)域的敏感專(zhuān)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(xún)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(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)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。

排版:零度