想想我們?cè)谖磥?lái)十年將面臨的任何重大挑戰(zhàn)，材料就是其中的核心最大的挑戰(zhàn)。為了建設(shè)一個(gè)新清潔能源的未來(lái)，我們需要更高效的太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力渦輪機(jī)和電池。制造商需要新材料來(lái)制造更先進(jìn)的產(chǎn)品。我們還需要更換供應(yīng)中斷的材料，比如稀土元素。

    傳統(tǒng)上，開發(fā)新材料是一個(gè)緩慢而艱難的過(guò)程。為了找到理想的特性，研究人員通常需要逐個(gè)測(cè)試數(shù)百甚至數(shù)千種材料。這使得材料研究對(duì)大多數(shù)行業(yè)來(lái)說(shuō)都代價(jià)過(guò)高。

    然而今天，我們正處于一場(chǎng)材料革命之中。科學(xué)家們正在使用強(qiáng)大的模擬技術(shù)，以及復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以驚人的速度推進(jìn)創(chuàng)新，甚至將創(chuàng)新引向他們從未考慮過(guò)的可能性。未來(lái)十年，材料的快速發(fā)展將產(chǎn)生巨大的影響。

    什么是材料科學(xué)？

    根據(jù)維基百科的定義：

    材料科學(xué)，又名為材料工程，涉及物質(zhì)的性質(zhì)及其在各個(gè)科學(xué)和工程學(xué)領(lǐng)域的整合應(yīng)用，是一個(gè)研究材料的制備或加工工藝、材料的微觀結(jié)構(gòu)與材料宏觀性能三者之間的相互關(guān)系的跨領(lǐng)域?qū)W科。

    涉及的理論包括固體物理學(xué)，材料化學(xué)，應(yīng)用物理和化學(xué)，以及化學(xué)工程，機(jī)械工程，土木工程和電機(jī)工程。與電子工程結(jié)合，則衍生出電子材料，與機(jī)械結(jié)合則衍生出結(jié)構(gòu)材料，與生物學(xué)結(jié)合則衍生出生物材料等等。

    隨著近年來(lái)媒體將注意力大量集中在納米科學(xué)上，材料科學(xué)在科學(xué)與工程學(xué)領(lǐng)域越來(lái)越廣為人知。它也是鑒識(shí)科學(xué)和破壞分析中的一個(gè)重要組成部分，以后者為例，它是分析各種飛航意外的關(guān)鍵。今日許多科技上的問(wèn)題受限于材料能夠容許的極限，也因此，在此領(lǐng)域的突破在未來(lái)科技具有指標(biāo)性的影響。材料科學(xué)有著廣泛的應(yīng)用前景。

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)趥鹘y(tǒng)材料的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)代科技的研究成果，開發(fā)出新材料。新材料按材質(zhì)可分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料（如陶瓷、砷化鎵半導(dǎo)體等）、高分子材料、先進(jìn)復(fù)合材料四大類，其應(yīng)用范圍極其廣泛。目前，新材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)滲透到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作用重大。

    材料革命的萌芽

    2005年，Gerd Ceder是麻省理工學(xué)院材料科學(xué)教授，研究預(yù)測(cè)新材料的計(jì)算方法。傳統(tǒng)上，材料科學(xué)家主要通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)確定具有商業(yè)價(jià)值特性的材料。Gerd正在使用復(fù)雜的模擬材料實(shí)體的計(jì)算機(jī)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的自動(dòng)化。

    事情發(fā)生了轉(zhuǎn)變！當(dāng)時(shí)寶潔公司（Procter & Gamble）旗下金霸王（Duracell）的一名高管詢問(wèn)Ceder，是否可以利用他正在開發(fā)的方法，探索大規(guī)模開發(fā)堿性電池新材料的可能性。于是，他組建了一個(gè)由六名“青年槍手”組成的團(tuán)隊(duì)，成立了一家公司來(lái)實(shí)現(xiàn)這一愿景。

    第一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)展順利，團(tuán)隊(duì)獲得了一些以前不存在的新材料的專利。然后另一家公司來(lái)電，請(qǐng)求幫忙開發(fā)另一個(gè)項(xiàng)目，在那之后接獲了更多的項(xiàng)目。盡管取得了初步的成功，但Ceder開始意識(shí)到有一個(gè)問(wèn)題：盡管團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目很成功，但是總體影響是有限的。

    Ceder 說(shuō)：“我們開始意識(shí)到，我們生成所有這些有價(jià)值的數(shù)據(jù)都被所在公司的保險(xiǎn)庫(kù)里，并未產(chǎn)生它應(yīng)有的價(jià)值。我們想以一種更公開的方式來(lái)來(lái)推進(jìn)材料的發(fā)展。幸運(yùn)的是，就在那個(gè)時(shí)候，一個(gè)團(tuán)隊(duì)成員因?yàn)榧彝ピ螂x開了麻省理工學(xué)院，這個(gè)偶然的事件將這個(gè)項(xiàng)目推向了一個(gè)新的高度。”

    材料工程的誕生

    2008年，Kristin Persson的丈夫在加州找到了一份工作，于是她離開了Ceder的麻省理工學(xué)院小組，加入勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory, LBL），成為一名研究科學(xué)家。然而，該團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有為失去一位重要同事而感到悲痛，而是將此舉視為一個(gè)讓他們的工作進(jìn)入高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的機(jī)會(huì)。

    Persson表示：“在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，有世界級(jí)的計(jì)算機(jī)人才。所以我們開始積極地與計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿的專家合作，但他們對(duì)材料和我們這幫材料黑客一無(wú)所知。正是這種跨學(xué)科的合作才是幫助我們迅速取得進(jìn)展的真正秘訣。”

    傳統(tǒng)的材料科學(xué)可以將一類合金應(yīng)用于，比如說(shuō)，汽車工業(yè)，并計(jì)算重量vs抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系。文獻(xiàn)中可能有幾百種這樣的材料。但是有了他們?cè)趧趥愃共死麌?guó)家實(shí)驗(yàn)室建立的系統(tǒng)，他們可以計(jì)算出幾千這樣的材料。這意味著工程師能夠以指數(shù)級(jí)的速度識(shí)別候選材料，并在現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行測(cè)試，從而創(chuàng)造出更佳的產(chǎn)品。

    他們又一次感到他們的工作的影響是有限的。畢竟，在國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作的私營(yíng)企業(yè)工程師并不多。Persson回憶說(shuō)：“我們?cè)缙诘难芯孔屛覀兿嘈牛覀冋幵谝粋€(gè)更大的問(wèn)題的風(fēng)口浪尖。”這就是他們?yōu)槭裁匆獎(jiǎng)?chuàng)建材料項(xiàng)目（Materials Project），一個(gè)世界上任何人都可以訪問(wèn)的大型在線數(shù)據(jù)庫(kù)。

    大規(guī)模的材料計(jì)劃

    該項(xiàng)目于2011年初上線，吸引了數(shù)千人參與。從那時(shí)起，它如病毒傳播般發(fā)展迅猛，如今擁有5萬(wàn)多名用戶，這個(gè)數(shù)字以每天50-100人的速度增長(zhǎng)。然而，它的影響不僅如此。該項(xiàng)目的成功引起了時(shí)任白宮科技政策辦公室（White House Office of Science and Technology Policy）副主任的Tom Kalil的注意，他看到了創(chuàng)建一個(gè)范圍更廣項(xiàng)目的潛力。

    2011年夏天，奧巴馬政府宣布了“材料基因組計(jì)劃”（Materials Genome Initiative, 簡(jiǎn)稱MGI），以協(xié)調(diào)能源部、NASA、能源部和其他機(jī)構(gòu)的工作，從而擴(kuò)大和補(bǔ)充勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的工作。這些努力加在一起，正在材料科學(xué)中掀起一場(chǎng)革命，而私營(yíng)工業(yè)剛剛開始感受到其影響。

    “材料基因組計(jì)劃”基于三個(gè)基本支柱。第一個(gè)是可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料性質(zhì)的計(jì)算方法，與Gerd Ceder的團(tuán)隊(duì)所開創(chuàng)的方法一般。二是擴(kuò)大材料庫(kù)的高生產(chǎn)能力實(shí)驗(yàn)，三是挖掘科學(xué)文獻(xiàn)中已有材料，促進(jìn)材料數(shù)據(jù)共享的項(xiàng)目。

    例如，一個(gè)項(xiàng)目使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和實(shí)驗(yàn)材料數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別一種叫做金屬玻璃的超強(qiáng)合金的形狀。盡管科學(xué)家們?cè)缇驼J(rèn)識(shí)到它作為鋼的替代品和保護(hù)涂層的價(jià)值，但它非常罕見(jiàn)，因此公眾所知相對(duì)較少。然而，使用這些新方法，研究人員能夠在一年之內(nèi)完成較之前200倍負(fù)荷的工作，并識(shí)別出2萬(wàn)個(gè)這樣的材料！

    一場(chǎng)真正的材料革命拉開序幕

    托馬斯·愛(ài)迪生有句名言：如果他做了1萬(wàn)個(gè)失敗的實(shí)驗(yàn)，他并不認(rèn)為這是一種失敗，而是發(fā)現(xiàn)了1萬(wàn)個(gè)不起作用的東西。確實(shí)如此，但它也帶來(lái)乏味、耗時(shí)和昂貴的代價(jià)。然而，這些新方法有可能將這1萬(wàn)次失敗自動(dòng)化，從而在材料科學(xué)領(lǐng)域掀起一場(chǎng)革命。

    例如，在美國(guó)政府創(chuàng)建下一代先進(jìn)電池的“聯(lián)合儲(chǔ)能研究中心（簡(jiǎn)稱為JCESR）”的背景下，目前的主要挑戰(zhàn)與其說(shuō)是識(shí)別潛在的電池化學(xué)成分，還不如說(shuō)是讓這些化學(xué)成分發(fā)揮作用的材料還不存在。對(duì)于過(guò)去來(lái)說(shuō)，這將是一個(gè)無(wú)法克服的問(wèn)題，但現(xiàn)在情況大為不同。

    JCESR主任George Crabtree接受采訪時(shí)表示：“使用過(guò)去10年左右開發(fā)的高性能計(jì)算模擬、材料基因組和其他技術(shù)，我們通常可以消除99%的行不通的可能性。這意味著我們可以把精力集中在剩下的1%可能有巨大潛力的材料上，我們可以以少得多的錢，走得更遠(yuǎn)、更快。”

    這項(xiàng)工作也迅速對(duì)工業(yè)界產(chǎn)生了影響。Citrine Informatics是一家將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于材料開發(fā)的公司，該公司的總裁Greg Mulholland表示：“我們看到越來(lái)越多的公司和行業(yè)在與我們聯(lián)系，并產(chǎn)生了一種新的緊迫感。對(duì)于歷史上投資于材料研究的公司來(lái)說(shuō)，他們昨天還在發(fā)愁。而對(duì)于那些沒(méi)有做到這一點(diǎn)的人來(lái)說(shuō)，他們正在奮力追趕。”

    材料基因組計(jì)劃的主任Jim Warren認(rèn)為，這僅僅是個(gè)開始。他說(shuō)：“當(dāng)你能以幾十萬(wàn)美元或幾百萬(wàn)美元而不是幾千萬(wàn)美元或幾億美元發(fā)現(xiàn)新材料時(shí)，你將看到大量擴(kuò)展的用例以及行業(yè)的受益。”

    正如我們從數(shù)字革命中學(xué)到的，只要效率提高10倍，最終就會(huì)產(chǎn)生革命性的商業(yè)影響。

    中國(guó)材料新行業(yè)發(fā)展前景廣闊

    新材料產(chǎn)業(yè)涉及多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品市場(chǎng)前景廣闊，是全球最重要、發(fā)展最快的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域之一。新材料行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀分析，我國(guó)作為全球最大的新興經(jīng)濟(jì)體，新材料產(chǎn)業(yè)正處于強(qiáng)勁發(fā)展階段，市場(chǎng)空間廣闊。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國(guó)新材料行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2010年我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值僅僅為0.6萬(wàn)億元，截止至2017年我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值增長(zhǎng)至2.6萬(wàn)億元。新材料“十三五”規(guī)劃和中國(guó)制造2025等政策將繼續(xù)推動(dòng)新材料產(chǎn)業(yè)保持快速的發(fā)展趨勢(shì)，十三五“期間我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)將穩(wěn)步增長(zhǎng)，年均增速保持在25%左右，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將超過(guò)6萬(wàn)億元。

    目前，我國(guó)政府正鼓勵(lì)、支持社會(huì)資本參與新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在政策指引下，新材料領(lǐng)域投資規(guī)模大幅增長(zhǎng)，行業(yè)投資額從2013年的17.5億元人民幣，增長(zhǎng)至2017年的125.7億元人民幣，5年增長(zhǎng)6倍多，年均增長(zhǎng)率達(dá)到48.4%;投資數(shù)量也從2013年的72起提高至129起。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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