材料科學(xué)有望成為未來十年最重要的技術(shù)

想想我們在未來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科研挑戰(zhàn)。為了建設(shè)一個新清潔能源的未來，我們需要更高效的太陽能電池板、風(fēng)力渦輪機(jī)和電池。制造商需要新材料來制造更先進(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。材料檢測專業(yè)機(jī)構(gòu)鑠思百檢測，為科研工作者提供材料檢測服務(wù)。

傳統(tǒng)上，開發(fā)新材料是一個緩慢而艱難的過程。為了找到理想的特性，研究人員通常需要逐個測試數(shù)百甚至數(shù)千種材料。這使得材料研究對大多數(shù)行業(yè)來說都代價過高。

然而今天，我們正處于一場材料革命之中?？茖W(xué)家們正在使用強大的模擬技術(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的可能性。未來十年，材料的快速發(fā)展將產(chǎn)生巨大的影響。

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)及其在各個科學(xué)和工程學(xué)領(lǐng)域的整合應(yīng)用，是一個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)域越來越廣為人知。它也是鑒識科學(xué)和破壞分析中的一個重要組成部分，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，人們在傳統(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)滲透到了國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)和社會生活的各個領(lǐng)域，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作用重大。

2005年，Gerd Ceder是麻省理工學(xué)院材料科學(xué)教授，研究預(yù)測新材料的計算方法。傳統(tǒng)上，材料科學(xué)家主要通過反復(fù)試驗來確定具有商業(yè)價值特性的材料。Gerd正在使用復(fù)雜的模擬材料實體的計算機(jī)模型來實現(xiàn)這一過程的自動化。

事情發(fā)生了轉(zhuǎn)變!當(dāng)時寶潔公司(Procter & Gamble)旗下金霸王(Duracell)的一名高管詢問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，他組建了一個由六名“青年槍手”組成的團(tuán)隊，成立了一家公司來實現(xiàn)這一愿景。

第一個項目進(jìn)展順利，團(tuán)隊獲得了一些以前不存在的新材料的專利。然后另一家公司來電，請求幫忙開發(fā)另一個項目，在那之后接獲了更多的項目。盡管取得了初步的成功，但Ceder開始意識到有一個問題：盡管團(tuán)隊的項目很成功，但是總體影響是有限的。

Ceder 說：“我們開始意識到，我們生成所有這些有價值的數(shù)據(jù)都被所在公司的保險庫里，并未產(chǎn)生它應(yīng)有的價值。我們想以一種更公開的方式來來推進(jìn)材料的發(fā)展。幸運的是，就在那個時候，一個團(tuán)隊成員因為家庭原因離開了麻省理工學(xué)院，這個偶然的事件將這個項目推向了一個新的高度。”

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家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBL)，成為一名研究科學(xué)家。然而，該團(tuán)隊并沒有為失去一位重要同事而感到悲痛，而是將此舉視為一個讓他們的工作進(jìn)入高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)的機(jī)會。

Persson表示:“在勞倫斯伯克利國家實驗室，有世界級的計算機(jī)人才。所以我們開始積極地與計算機(jī)科學(xué)前沿的專家合作，但他們對材料和我們這幫材料黑客一無所知。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，汽車工業(yè)，并計算重量vs抗拉強度之間的關(guān)系。文獻(xiàn)中可能有幾百種這樣的材料。但是有了他們在勞倫斯伯克利國家實驗室建立的系統(tǒng)，他們可以計算出幾千這樣的材料。這意味著工程師能夠以指數(shù)級的速度識別候選材料，并在現(xiàn)實世界中進(jìn)行測試，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，在國家實驗室工作的私營企業(yè)工程師并不多。Persson回憶說:“我們早期的研究讓我們相信，我們正處在一個更大的問題的風(fēng)口浪尖?！边@就是他們?yōu)槭裁匆獎?chuàng)建材料項目(Materials Project)，一個世界上任何人都可以訪問的大型在線數(shù)據(jù)庫。

該項目于2011年初上線，吸引了數(shù)千人參與。從那時起，它如病毒傳播般發(fā)展迅猛，如今擁有5萬多名用戶，這個數(shù)字以每天50-100人的速度增長。然而，它的影響不僅如此。該項目的成功引起了時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)建一個范圍更廣項目的潛力。

2011年夏天，奧巴馬政府宣布了“材料基因組計劃”(Materials Genome Initiative, 簡稱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)大和補充勞倫斯伯克利國家實驗室正在進(jìn)行的工作。這些努力加在一起，正在材料科學(xué)中掀起一場革命，而私營工業(yè)剛剛開始感受到其影響。

“材料基因組計劃”基于三個基本支柱。第一個是可以準(zhǔn)確預(yù)測材料性質(zhì)的計算方法，與Gerd Ceder的團(tuán)隊所開創(chuàng)的方法一般。二是擴(kuò)大材料庫的高生產(chǎn)能力實驗，三是挖掘科學(xué)文獻(xiàn)中已有材料，促進(jìn)材料數(shù)據(jù)共享的項目。

例如，一個項目使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和實驗材料數(shù)據(jù)來識別一種叫做金屬玻璃的超強合金的形狀。盡管科學(xué)家們早就認(rèn)識到它作為鋼的替代品和保護(hù)涂層的價值，但它非常罕見，因此公眾所知相對較少。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，并識別出2萬個這樣的材料!

托馬斯·愛迪生有句名言：如果他做了1萬個失敗的實驗，他并不認(rèn)為這是一種失敗，而是發(fā)現(xiàn)了1萬個不起作用的東西。確實如此，但它也帶來乏味、耗時和昂貴的代價。然而，這些新方法有可能將這1萬次失敗自動化，從而在材料科學(xué)領(lǐng)域掀起一場革命。

例如，在美國政府創(chuàng)建下一代先進(jìn)電池的“聯(lián)合儲能研究中心(簡稱為JCESR)”的背景下，目前的主要挑戰(zhàn)與其說是識別潛在的電池化學(xué)成分，還不如說是讓這些化學(xué)成分發(fā)揮作用的材料還不存在。對于過去來說，這將是一個無法克服的問題，但現(xiàn)在情況大為不同。

JCESR主任George Crabtree接受采訪時表示:“使用過去10年左右開發(fā)的高性能計算模擬、材料基因組和其他技術(shù)，我們通?？梢韵?9%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。”

這項工作也迅速對工業(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。對于歷史上投資于材料研究的公司來說，他們昨天還在發(fā)愁。而對于那些沒有做到這一點的人來說，他們正在奮力追趕。”

材料基因組計劃的主任Jim Warren認(rèn)為，這僅僅是個開始。他說:“當(dāng)你能以幾十萬美元或幾百萬美元而不是幾千萬美元或幾億美元發(fā)現(xiàn)新材料時，你將看到大量擴(kuò)展的用例以及行業(yè)的受益?！?/span>

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

新材料產(chǎn)業(yè)涉及多個工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品市場前景廣闊，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)市場發(fā)展現(xiàn)狀分析，我國作為全球最大的新興經(jīng)濟(jì)體，新材料產(chǎn)業(yè)正處于強勁發(fā)展階段，市場空間廣闊。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國新材料行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2010年我國新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值僅僅為0.6萬億元，截止至2017年我國新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值增長至2.6萬億元。新材料“十三五”規(guī)劃和中國制造2025等政策將繼續(xù)推動新材料產(chǎn)業(yè)保持快速的發(fā)展趨勢，十三五”期間我國新材料產(chǎn)業(yè)將穩(wěn)步增長，年均增速保持在25%左右，預(yù)計到2020年，我國新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將超過6萬億元。

目前，我國政府正鼓勵、支持社會資本參與新材料產(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，行業(yè)投資額從2013年的17.5億元人民幣，增長至2017年的125.7億元人民幣，5年增長6倍多，年均增長率達(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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