材料是人類社會進步的基石。從石器時代發展到以鋼鐵爲代表的工(gōng)業時代，以及如今以矽等半導體(tǐ)材料及器件爲代表的信息時代，曆史的演進無不伴随着材料領域的進展和突破，關鍵新材料的出現與應用往往是推動新技術革命的直接動力。随着經濟社會的發展，新材料推動了人工(gōng)智能、新能源汽車(chē)、高端裝備、生(shēng)物(wù)醫藥等新興領域的快速發展，并促進着相關行業的快速叠代與進步，顯著提升了人們的物(wù)質生(shēng)活水平。鑒于新材料的重要戰略作用，世界各國不約而同将新材料作爲其主要的發展目标。
▲ 世界各國的新材料發展規劃
新材料發展的特點
計算機科學與實驗相結合，加速新材料的開(kāi)發速度。傳統材料的研發與改進主要基于經驗和實驗的積累，以及大(dà)量重複性的“試錯法”實驗，工(gōng)作量大(dà)且耗時長，新材料更新叠代速度較慢(màn)。統計顯示，傳統材料從開(kāi)發到工(gōng)業化應用一(yī)般需要20～30 年之久。面對新材料産業競争日益激烈的現狀，縮短新材料的研發周期成爲當務之急。随着計算機科學與大(dà)數據的應用，通過建立材料結構和性能的預測模型，對新材料進行設計并通過實驗結果對理論模型進行修正，能夠大(dà)幅度縮短新材料的研發周期。此外(wài)，基于實驗數據和高通量理論計算結果，建立材料數據庫系統，能夠爲新材料的設計提供理論和實驗依據。
新材料發展與其他學科深度融合。結合先進的材料制備手段，如磁控濺射、分(fēn)子束外(wài)延沉積以及3D/4D 打印等技術，不同結構和功能新材料的研發速度大(dà)幅加快。另一(yī)方面，新型二維材料如石墨烯、石墨炔、二硫化钼、黑磷、矽烯等新材料的發現，使人們對未知(zhī)世界的認識和理解進一(yī)步加深。簡而言之，新材料的出現促進了物(wù)理、化學、生(shēng)物(wù)等學科的發展與進步，而相關學科的發展與技術進步也加速了新材料的研發進程。
新材料的發展更加注重節能環保。能源危機、環境污染等問題對人類的可持續發展構成了嚴重威脅，因此，新材料的開(kāi)發越來越重視節能環保。例如，通過采用四氟乙烷等取代傳統氟利昂制冷劑，使用發光二極管(LED)節能燈，開(kāi)發和應用節能建築材料如利用綠色保溫材料作爲建築外(wài)牆等。此外(wài)，對材料研發和應用過程進行全生(shēng)命周期的監測和評估，提高材料的利用效率，也成爲重要發展趨勢。
金産學研用合作成爲新材料研發的重要方向。新材料的發展不僅需要基礎科學的研究，同時需要結合市場的需求。此外(wài)，政策和資(zī)金的支持也是新材料發展不可或缺的一(yī)部分(fēn)。因此，爲實現新材料的創新發展，加強金産學研用合作，結合科研機構和大(dà)學、金融機構、創新企業以及政府多方的優勢，推動新材料産業全面發展，是加速新材料研發及産業應用的重要途徑。
作爲材料大(dà)國，我(wǒ)國目前雖然具有較爲完善的材料制造産業，但關鍵新材料的研究、開(kāi)發與應用還明顯落後于發達國家，導緻在多個領域受制于人。幾年前《科技日報》 列舉了制約我(wǒ)國工(gōng)業發展的35 項“卡脖子”技術，其中(zhōng)27 項與材料密切相關，充分(fēn)顯示我(wǒ)國對新材料領域發展的迫切需求和面臨的巨大(dà)挑戰。爲振興新材料産業，2016 年我(wǒ)國工(gōng)信部發布了《新材料産業發展指南(nán)》，明确指出要重點發展先進基礎材料、關鍵戰略材料和前沿新材料，以提升我(wǒ)國新材料的自主創新研發能力，實現從材料制造大(dà)國向材料研發強國邁進。近年來，我(wǒ)國材料科學研究成果顯著，如高溫超導材料、石墨烯、納米材料、光學晶體(tǐ)等。然而，在競争日益激烈的國際形勢下(xià)，實現新材料領域的突破，并通過成果轉化與應用助力我(wǒ)國關鍵産業的發展，具有重要戰略意義。
▲ 《科技日報》列出的與材料相關的“卡脖子”技術清單
另一(yī)方面，社會快速發展和人類物(wù)質文明高度發達的同時，能源和環境等問題也愈發突出。随着能源需求的增加，煤、石油、天然氣等化石燃料的消耗與日俱增。然而，化石燃料資(zī)源有限，快速、持續、大(dà)量的消耗導緻化石燃料面臨枯竭的嚴峻形勢。與此同時，化石燃料消耗所排放(fàng)的二氧化碳等溫室氣體(tǐ)導緻溫室效應、極端天氣等氣候問題，對人類社會的可持續發展造成嚴重威脅。爲應對上述全球性的問題，世界各國紛紛采取行動。早在1992 年，聯合國促成了《聯合國氣候變化框架公約》以應對氣候變化，此後世界各國又(yòu)相繼簽訂了《京都議定書(shū)》(1997 年)、《哥本哈根協議》(2009 年)、《巴黎協定》(2015 年)等，旨在通過節能減排、發展清潔能源等手段，以最終實現碳排放(fàng)與碳吸收的平衡，即碳中(zhōng)和發展目标。
實現碳達峰、碳中(zhōng)和的戰略目标是以習近平同志(zhì)爲核心的黨中(zhōng)央統籌國内國際兩個大(dà)局後做出的重大(dà)戰略決策，是解決我(wǒ)國當前所面臨的資(zī)源環境約束突出問題、實現綠色可持續發展的必然選擇，這一(yī)戰略目标也是構建人類命運共同體(tǐ)的莊嚴承諾，體(tǐ)現了我(wǒ)國攜手世界各國一(yī)道積極應對全球能源短缺與氣候變化這一(yī)艱巨挑戰的堅定決心，彰顯了我(wǒ)國作爲大(dà)國的責任與擔當。
作爲能源消費(fèi)大(dà)國，中(zhōng)國積極參與并大(dà)力推動碳中(zhōng)和。雖然願景美好，但實現碳中(zhōng)和目标卻任重道遠。截至2019 年，化石燃料在我(wǒ)國一(yī)次能源消費(fèi)結構中(zhōng)占比仍高達85%，且我(wǒ)國石油資(zī)源對外(wài)依存度達到70%以上，原油進口超過5.0 億噸/年，其中(zhōng)80%依賴海運，國家能源安全面臨着巨大(dà)壓力。
▲ 2019 年我(wǒ)國能源消費(fèi)結構
因此，爲保障我(wǒ)國能源安全、實現碳中(zhōng)和，亟待大(dà)力發展清潔能源科學與技術，實現能源的高效生(shēng)産與利用。我(wǒ)認爲要實現碳達峰、碳中(zhōng)和的目标，就要求我(wǒ)們努力實現“五化”，即能源生(shēng)産低碳化、能源使用電(diàn)氣化、工(gōng)業過程氫能化、能源網絡智能化、二氧化碳資(zī)源化。作爲能源高效生(shēng)産與利用的關鍵和重要組成部分(fēn)，新材料的發展與應用在實現碳達峰、碳中(zhōng)和的進程中(zhōng)将起到至關重要的作用。此外(wài)，科普宣傳、科技創新、政策保障、全民意識同樣是當務之急。
基于作者在新材料和新能源領域多年的研究與思考，《新材料與碳中(zhōng)和》（成會明，唐永炳，歐學武著．北(běi)京：科學出版社，2022.7）旨在向讀者介紹新材料的重要性，并探讨新材料在碳中(zhōng)和實踐中(zhōng)的重要支撐作用。本書(shū)定位爲新材料與碳中(zhōng)和相關的通識性科學著作，主要面向對新材料與碳中(zhōng)和感興趣的廣大(dà)讀者，回顧了材料的發展曆程，闡述了材料與人類社會發展的密切關系；論述了新材料的戰略地位以及世界各國的發展戰略；針對能源與環境危機，介紹了世界多國和地區的碳中(zhōng)和發展目标，并重點探讨了現階段我(wǒ)國實現碳達峰、碳中(zhōng)和所面臨的挑戰及新材料在清潔能源發展中(zhōng)的關鍵支撐作用；最後展望了實現碳中(zhōng)和的願景。
材料科學已創造了衆多奇迹，我(wǒ)相信在實現碳達峰、碳中(zhōng)和的進程中(zhōng)，材料科學仍将創造奇迹。碳達峰、碳中(zhōng)和不僅是中(zhōng)國的目标，也是全世界的目标，實現碳達峰、碳中(zhōng)和任重而道遠。我(wǒ)衷心希望有更多的科學家、工(gōng)程師、企業家、公務員(yuán)、教師、學生(shēng)和公民都關注新材料，關注碳達峰、碳中(zhōng)和，并加入到實現碳達峰、碳中(zhōng)和目标的行動中(zhōng)，共同推動人類文明的進步！
文章轉載：DT新材料