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挑戰(zhàn)。為了建設一個新清潔能源的未來，我們需要更高效的太陽能電池板、風力渦輪機和電池。制造商需要新材料來制造更先進的產(chǎn)品。我們還需要更換供應中斷的材料，比如稀土元素。

    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。科學家們正在使用強大的模擬技術，以及復雜的機器學習算法，以驚人的速度推進創(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。

    什么是材料科學？

    根據(jù)維基百科的定義：

    材料科學，又名為材料工程，涉及物質的性質及其在各個科學和工程學領域的整合應用，是一個研究材料的制備或加工工藝、材料的微觀結構與材料宏觀性能三者之間的相互關系的跨領域學科。

    涉及的理論包括固體物理學，材料化學，應用物理和化學，以及化學工程，機械工程，土木工程和電機工程。與電子工程結合，則衍生出電子材料，與機械結合則衍生出結構材料，與生物學結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上，材料科學在科學與工程學領域越來越廣為人知。它也是鑒識科學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，在此領域的突破在未來科技具有指標性的影響。材料科學有著廣泛的應用前景。

    隨著科學技術的發(fā)展，人們在傳統(tǒng)材料的基礎上，根據(jù)現(xiàn)代科技的研究成果，開發(fā)出新材料。新材料按材質可分為金屬材料、無機非金屬材料（如陶瓷、砷化鎵半導體等）、高分子材料、先進復合材料四大類，其應用范圍極其廣泛。目前，新材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)滲透到了國民經(jīng)濟、國防建設和社會生活的各個領域，是高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎，對國民經(jīng)濟發(fā)展作用重大。

    材料革命的萌芽

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

    事情發(fā)生了轉變！當時寶潔公司（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”組成的團隊，成立了一家公司來實現(xiàn)這一愿景。

    第一個項目進展順利，團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)生它應有的價值。我們想以一種更公開的方式來來推進材料的發(fā)展。幸運的是，就在那個時候，一個團隊成員因為家庭原因離開了麻省理工學院，這個偶然的事件將這個項目推向了一個新的高度。”

    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），成為一名研究科學家。然而，該團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入高速運轉狀態(tài)的機會。

    Persson表示：“在勞倫斯伯克利國家實驗室，有世界級的計算機人才。所以我們開始積極地與計算機科學前沿的專家合作，但他們對材料和我們這幫材料黑客一無所知。正是這種跨學科的合作才是幫助我們迅速取得進展的真正秘訣。”

    傳統(tǒng)的材料科學可以將一類合金應用于，比如說，汽車工業(yè)，并計算重量vs抗拉強度之間的關系。文獻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口浪尖。”這就是他們?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。

    大規(guī)模的材料計劃

    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)調能源部、NASA、能源部和其他機構的工作，從而擴大和補充勞倫斯伯克利國家實驗室正在進行的工作。這些努力加在一起，正在材料科學中掀起一場革命，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。第一個是可以準確預測材料性質的計算方法，與Gerd Ceder的團隊所開創(chuàng)的方法一般。二是擴大材料庫的高生產(chǎn)能力實驗，三是挖掘科學文獻中已有材料，促進材料數(shù)據(jù)共享的項目。

    例如，一個項目使用機器學習算法和實驗材料數(shù)據(jù)來識別一種叫做金屬玻璃的超強合金的形狀。盡管科學家們早就認識到它作為鋼的替代品和保護涂層的價值，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完成較之前200倍負荷的工作，并識別出2萬個這樣的材料！

    一場真正的材料革命拉開序幕

    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，從而在材料科學領域掀起一場革命。

    例如，在美國政府創(chuàng)建下一代先進電池的“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成分，還不如說是讓這些化學成分發(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，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、更快。”

    這項工作也迅速對工業(yè)界產(chǎn)生了影響。Citrine Informatics是一家將機器學習應用于材料開發(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認為，這僅僅是個開始。他說：“當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，你將看到大量擴展的用例以及行業(yè)的受益。”

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

    中國材料新行業(yè)發(fā)展前景廣闊

    新材料產(chǎn)業(yè)涉及多個工業(yè)領域，產(chǎn)品市場前景廣闊，是全球最重要、發(fā)展最快的高技術產(chǎn)業(yè)領域之一。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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責任編輯：殷鵬飛

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