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材料科學(xué)大熱門，中國科學(xué)家蓄勢(shì)待發(fā) | 聚焦材料中國

2019-03-27 10:50:12 作者：Sarah O'Meara 來源： Nature自然科研分享至：

一系列精心設(shè)計(jì)的研發(fā)項(xiàng)目以及經(jīng)費(fèi)的增加使廣大研究人員大為受益。

當(dāng)張達(dá)威辦完赴美學(xué)生簽證續(xù)簽時(shí)，已經(jīng)來不及了。當(dāng)時(shí)，這位29歲的材料科學(xué)家已經(jīng)攜妻兒回到了中國，成了北京科技大學(xué)的一名博士后——北京科技大學(xué)的新材料技術(shù)研究院在全國名列前茅。續(xù)簽延誤促使張達(dá)威接受了一份國內(nèi)職位，而沒有繼續(xù)留在美國從事自修復(fù)材料研究。

回頭看，張達(dá)威才意識(shí)到當(dāng)初回國的決定是正確的。6年后，他在材料腐蝕方面的研究被納入了一個(gè)10億元的國家項(xiàng)目——材料基因工程（Materials Genome Engineering，MGE），該工程旨在提高中國新材料研發(fā)的速度和效率。

去年成都的一個(gè)展覽會(huì)上展出了一款柔性屏手機(jī)。

來源：Wang Xiao/Chengdu Economic Daily/VCG/Getty

過去十年來，此類大型科學(xué)項(xiàng)目在中國越來越多，為相關(guān)國家計(jì)劃提供了關(guān)鍵支撐。中國政府計(jì)劃讓中國成為高科技經(jīng)濟(jì)體，能夠并跑甚至領(lǐng)跑全球領(lǐng)先的科學(xué)大國。

材料基因工程于2016年正式啟動(dòng)，旨在對(duì)標(biāo)美國的“材料基因組計(jì)劃”（Materials Genome Initiative，MGI）——美國聯(lián)邦政府對(duì)該計(jì)劃投資2.5億美元，希望能將先進(jìn)材料科學(xué)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。取名的用意在于呼應(yīng)生物學(xué)領(lǐng)域的一些超級(jí)項(xiàng)目，如人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project）。中國政府的政策制定者希望更好地利用國家數(shù)據(jù)庫內(nèi)儲(chǔ)存的材料行為相關(guān)信息，推進(jìn)新材料的開發(fā)。

但是，研究人員仍處于摸索階段。張達(dá)威的團(tuán)隊(duì)連理解數(shù)據(jù)科學(xué)家的方法都有困難，對(duì)此他表示，這是全球都面臨的一個(gè)普遍問題。

“我們?cè)跒椴牧匣蚬こ虦?zhǔn)備計(jì)劃書時(shí)，就意識(shí)到了這個(gè)問題，但直到我們真正開始做的時(shí)候，我才發(fā)現(xiàn)這將是個(gè)長期問題。”

張達(dá)威表示，實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生經(jīng)常做得比資深教授更好。“他們私底下有更多時(shí)間去鉆研一些新想法。”

張達(dá)威說，材料基因工程的最終目標(biāo)是開發(fā)出一個(gè)中心化智能數(shù)據(jù)挖掘軟件平臺(tái)，可以讓汽車制造、煉鋼和造船一類的企業(yè)獲得有關(guān)材料行為的即時(shí)反饋。

在北京新材料技術(shù)研究院的實(shí)驗(yàn)室里，張達(dá)威的團(tuán)隊(duì)是一支交叉學(xué)科隊(duì)伍，有些成員主要關(guān)注材料基因工程（見“硬數(shù)據(jù)”），其他成員則負(fù)責(zé)基礎(chǔ)研究。數(shù)據(jù)科學(xué)家會(huì)幫他處理數(shù)據(jù)庫里的信息，協(xié)助創(chuàng)建新的材料模型；而生物學(xué)家則會(huì)關(guān)注微生物對(duì)腐蝕的影響。此外，他所在的研究院還會(huì)邀請(qǐng)美國和歐洲的客座教授來訪。

硬數(shù)據(jù)

二十世紀(jì)八十年代：中國高校與研究院所在中央政府的財(cái)政支持下，建立了 23個(gè)小規(guī)模材料數(shù)據(jù)庫，但數(shù)據(jù)庫的使用和更新非常緩慢。

2000年：中國18個(gè)研究所聯(lián)合建立了兩個(gè)國家級(jí)材料數(shù)據(jù)庫，首次提出以標(biāo)準(zhǔn)化格式進(jìn)行材料收集和錄入。（見http:// www.materdata.cn）。

2016年：中國的政策制定者投資材料基因工程項(xiàng)目的數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)技術(shù)開發(fā)，以對(duì)標(biāo)美國前總統(tǒng)奧巴馬在2011年啟動(dòng)的材料基因組計(jì)劃。

中國科學(xué)家認(rèn)為，要做出杰出的科研成果，需要有多元化、跨學(xué)科的研究團(tuán)隊(duì)，而這正是一般實(shí)驗(yàn)室所缺少的。張達(dá)威說：“中美兩國各自的材料基因組計(jì)劃擁有共同的目標(biāo)，那就是以更快的速度和更少的費(fèi)用產(chǎn)出更好的材料。與國外科學(xué)家合作非常重要，因?yàn)椴牧匣蚪M是個(gè)全新的領(lǐng)域。我們需要一起找到最優(yōu)路徑。”

經(jīng)費(fèi)充裕

自2008年以來，中國的材料科學(xué)經(jīng)費(fèi)投入已經(jīng)增加了三倍，材料科學(xué)也是國家自然科學(xué)基金的第二大資助學(xué)科，僅次于醫(yī)學(xué)（見“中國增撥材料經(jīng)費(fèi)”），這讓中國材料科學(xué)的研究規(guī)模水漲船高。Web of Science的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，材料科學(xué)論文數(shù)量在2006年到2017年期間增加了兩倍有余，達(dá)到4萬篇左右（見“巨大進(jìn)步”）。2015年，中國研究者發(fā)表的所有論文中，約九分之一為材料學(xué)論文。

來源：國家自然科學(xué)基金

2006年至今，在一項(xiàng)國家計(jì)劃的指導(dǎo)下，中國的科學(xué)研發(fā)經(jīng)費(fèi)主要用于在2020年前提高中國的創(chuàng)新水平。這項(xiàng)計(jì)劃包括一系列宏偉的研發(fā)項(xiàng)目，比如探月工程以及首架自主設(shè)計(jì)的客機(jī)。制定這些目標(biāo)是為了推動(dòng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，增強(qiáng)國家的經(jīng)濟(jì)前景，而材料科學(xué)對(duì)于實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)具有非常重要的作用。

2018年，國家自然科學(xué)基金總共資助了701個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目，總計(jì)金額超過20億元，包括材料基因工程以及納米技術(shù)和先進(jìn)電子材料方面的研究。同年，科技部對(duì)6個(gè)重點(diǎn)專項(xiàng)的支持經(jīng)費(fèi)超16億元，其中包括納米技術(shù)。

如今，中國在23個(gè)具有鮮明技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域發(fā)表的高質(zhì)量研究論文超過了世界上任何其他國家，這些領(lǐng)域包括電池、半導(dǎo)體、新材料和生物技術(shù)。11月，由清華大學(xué)博士畢業(yè)生于2014年創(chuàng)建的清陶發(fā)展宣布，公司已研發(fā)出全國首個(gè)固態(tài)電池生產(chǎn)線。

來源：Web of Science

隨著中國的影響力日益提升，從中國科學(xué)家可以獲得的資源來看，他們是否取得了應(yīng)有的成績，還無法確定。John Plummer曾是《自然-材料》駐上海的高級(jí)編輯，現(xiàn)在是自然合作期刊高級(jí)責(zé)任編輯，他認(rèn)為中國在某些材料科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)走在了前列，如納米材料、凝聚態(tài)物理和結(jié)構(gòu)材料，但在整體材料研究方面尚無法與美國或歐洲相比。

南京大學(xué)納米材料科學(xué)家朱嘉說：“我們需要去推動(dòng)原創(chuàng)的想法。美國科學(xué)家在開辟一個(gè)新項(xiàng)目或研究方向時(shí)，不會(huì)人云亦云地說‘別人在做什么，我們也應(yīng)該做什么’。但在中國，我們?nèi)栽谝运藶閰⒄铡?rdquo;

冒險(xiǎn)一試？

2014年，地球物理學(xué)家毛河光開始在美國卡耐基研究所和上海兩地之間輾轉(zhuǎn)。在美國工作了50年后，毛河光希望能幫助中國政府官員解決中國最迫切的研發(fā)問題之一。“他們問我：‘如何才能提高基礎(chǔ)研究的質(zhì)量，而不僅僅是數(shù)量？' 。” 毛河光主要研究材料如何應(yīng)對(duì)極端壓力。他讓政府官員給他出資建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，用來產(chǎn)出“真正顛覆性的研究成果”。他解釋道，實(shí)驗(yàn)室可能無法立刻產(chǎn)生突破，但他能保證從世界各地招來和他一樣有產(chǎn)出潛力的科學(xué)家——毛河光的產(chǎn)量是不證自明的：在他的職業(yè)生涯中，他在《自然》和《科學(xué)》上相繼發(fā)表了65篇論文。

中國科學(xué)院是中國最大的科學(xué)機(jī)構(gòu)和政策制定顧問機(jī)構(gòu)。2008年，在中科院與國家自然基金舉辦的一次活動(dòng)中，毛河光說：“給我錢，我就能給你科學(xué)家。”毛河光1996年當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士。政府官員給了他要的錢，2013年，高壓科學(xué)研究中心（HPSTAR）成立，并在上海和北京建立了分中心。毛河光實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)并非來自科技部，而是由財(cái)政部直接劃撥。

毛河光說他吸引到了來自加拿大、埃及、德國、日本、俄羅斯、英國和美國的科學(xué)家。“中國的體制在支持基礎(chǔ)研究方面不夠高效。我有幸能讓科學(xué)家完全自由地以自己的方式開展顛覆性研究，并從最大程度上減少外部監(jiān)管和評(píng)審評(píng)估。政府當(dāng)然關(guān)注我們的進(jìn)展，但是以一種非常低調(diào)的方式。”

毛河光申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)的全新方法，成功移除了創(chuàng)新性材料研究面前的一個(gè)主要結(jié)構(gòu)性障礙。從事儲(chǔ)能方法研究的中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所化學(xué)家溫珍海表示，在中國，科研人員獲得的經(jīng)費(fèi)數(shù)量主要取決于他們?cè)诟哔|(zhì)量期刊上的發(fā)文數(shù)量。“初級(jí)研究人員必須要扛住激烈的經(jīng)費(fèi)競(jìng)爭，這讓我們不得不蹭一些熱門的研究領(lǐng)域，即使那意味著我們的研究可能并無創(chuàng)新性，可能與他人的研究會(huì)重復(fù)。”

毛河光堅(jiān)信，沒有束縛的科學(xué)家才能做出好成績。能有機(jī)會(huì)放手去做在一定程度上促使物理學(xué)家Philip Dalladay-Simpson決定申請(qǐng)來上海實(shí)驗(yàn)室研究極高壓下的分子系統(tǒng)響應(yīng)。2010年，Philip Dalladay-Simpson從倫敦瑪麗女王大學(xué)畢業(yè)，隨后開始研究氫對(duì)極端環(huán)境的響應(yīng)，并在2016年從英國愛丁堡大學(xué)博士畢業(yè)，正逢高壓科學(xué)研究中心也開始招賢納士。

Dalladay-Simpson說：“能有機(jī)會(huì)為一所有理想的新研究所出力，能在那里自由探索我所感興趣的領(lǐng)域，這讓我最初有點(diǎn)不知所措，因?yàn)槲覍?duì)自己的事業(yè)發(fā)展從沒有過這種期待。”

毛河光團(tuán)隊(duì)利用的上海同步輻射光源是中國籌建的一系列大型研究項(xiàng)目之一，已于2009年投入使用，總投資達(dá)12億元。在這里，高壓科學(xué)研究中心的科學(xué)家使用X射線詳細(xì)了解材料在壓力條件下的行為。毛河光說：“我們團(tuán)隊(duì)至少每個(gè)月都要用到該設(shè)施，所以我們索性在附近租了實(shí)驗(yàn)室。”

一名工程師正在東莞的散裂中子源國家實(shí)驗(yàn)室調(diào)試設(shè)備；科學(xué)家可以使用這類加速器和上海同步輻射光源研究材料的行為。

來源：Xinhua/Alamy

重任在肩

中國計(jì)劃在2049年，也就是中華人民共和國成立100年之際，成為世界科技強(qiáng)國。對(duì)于工程師陳光來說，他每天都能感受到這一宏偉目標(biāo)所帶來的壓力。

中國希望建造自己的大飛機(jī)。目前，國產(chǎn)商用飛機(jī)使用的全是進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，當(dāng)南京理工大學(xué)的陳光在2016發(fā)表了一篇關(guān)于可用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的新合金論文（G. Chen et al. Nature Mater. 15, 876–881; 2016）后，頃刻之間，無數(shù)研究經(jīng)費(fèi)朝他涌來。

2017年，陳光獲得了一筆總額300萬元的主要研究經(jīng)費(fèi)，是一般國家自然科學(xué)基金經(jīng)費(fèi)的5倍。此外，他還獲得了兩筆60萬元的經(jīng)費(fèi)。雖然能得到需要的支持讓陳光很欣慰，但他清楚，如果經(jīng)費(fèi)用完時(shí)還看不到成果，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。他說：“這會(huì)影響到我本人的科學(xué)聲望和今后的項(xiàng)目申請(qǐng)。” 陳光在這一領(lǐng)域深耕20年有余，但他預(yù)計(jì)商業(yè)化還需要再等10年。來自南方科技大學(xué)的化學(xué)家蔣興宇表示，這種速度并沒有趕上政府或整個(gè)行業(yè)對(duì)研發(fā)人員的期待。

“如果你在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有很高的產(chǎn)出，大家會(huì)期待你能產(chǎn)出同樣高水準(zhǔn)的產(chǎn)品——這是許多政府官員和民間資助者的真實(shí)想法。但是，我們今天所用的產(chǎn)品很多都是基于20年或30年前的研究成果，”他說，“在中國，愿意進(jìn)行必要的研發(fā)投資，將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的大型企業(yè)并不多。”

對(duì)于中國的科學(xué)家來說，實(shí)驗(yàn)室通往高科技生產(chǎn)線的道路并不順暢。政府和企業(yè)都缺乏技術(shù)商業(yè)化的經(jīng)驗(yàn)，科研人員在沒有基礎(chǔ)設(shè)施和專業(yè)知識(shí)支持的情況下，難以滿足如此高的期待。

溫珍海在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校完成電化學(xué)能轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)的博士后研究后，于2014年回國。回國以后，溫珍海積極與企業(yè)開展合作，受邀會(huì)見當(dāng)?shù)卣賳T，共同探討如何將他在蓄電池和燃料電池方面的研究成果轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用。

他們?cè)岢鲆С治页闪⒁患夜荆蛱嫖遗c一家本地公司牽線搭橋。不過，溫珍海對(duì)這背后的困難非常警惕。“創(chuàng)立一家公司不難，但是我曾見過許多公司由于缺乏大規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、管理不善、市場(chǎng)需求不足而倒閉。”

為了引導(dǎo)科學(xué)家創(chuàng)業(yè)，政府出臺(tái)了一系列激勵(lì)措施，如給予科學(xué)家初創(chuàng)企業(yè)的股權(quán)并讓他們少做研究多做開發(fā)，然而，整個(gè)大環(huán)境仍然非常殘酷。

溫珍海認(rèn)為需要進(jìn)一步增進(jìn)研究團(tuán)隊(duì)與制造企業(yè)之間的相互理解，他說：“實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的新材料開發(fā)通常沒有充分考慮市場(chǎng)需求，因此難以獲得來自企業(yè)的經(jīng)費(fèi)支持。”

納米材料蓄勢(shì)待發(fā)

當(dāng)英國曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家分離出石墨烯，并因此榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，這一發(fā)明被認(rèn)為將改變整個(gè)電子學(xué)領(lǐng)域。然而，這一輕薄柔軟、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好的納米材料并未達(dá)到人們最初的預(yù)期，如果它的潛力可以完全兌現(xiàn)，中國已經(jīng)準(zhǔn)備好乘勢(shì)而上。

中國很早就發(fā)現(xiàn)納米科學(xué)發(fā)現(xiàn)可以帶動(dòng)國內(nèi)科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。2003年，中科院與教育部成立了國家納米科學(xué)中心；如今，政府統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，中國擁有全球最多的石墨烯企業(yè)——近3000家。此外，中國占全球石墨烯產(chǎn)量的三分之二左右。

化學(xué)家蕭曉月表示，問題在于，這類石墨烯生產(chǎn)企業(yè)多為中小型企業(yè)，除非它們能找到一個(gè)可持續(xù)的商業(yè)模式，否則長期運(yùn)營將難以為繼。

2013年，蕭曉月與中國國際技術(shù)轉(zhuǎn)移中心的材料工程師李義春有了一個(gè)想法，他們想讓這些企業(yè)聯(lián)合起來共同成長。蕭曉月說：“好的一面是有很多從事石墨烯或石墨烯相關(guān)技術(shù)的小型企業(yè)；壞的一面是，很多企業(yè)都難以維持下去。” 同一年，蕭曉月和李義春共同發(fā)起了中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，嘗試通過推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研合作，改變這一現(xiàn)狀。蕭曉月表示：“投資人投了很多錢，但很快就感到不滿，因?yàn)檫@些公司無法研發(fā)出可以銷售的產(chǎn)品。” 總部位于美國加州的天奈科技（Cnano Technology）將清華大學(xué)化學(xué)工程師2001年開發(fā)的技術(shù)用于碳納米管和石墨烯的批量生產(chǎn)，年?duì)I收超5000萬美元。天奈科技的毛鷗有著20年的產(chǎn)業(yè)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，他說公司確保產(chǎn)品對(duì)接市場(chǎng)需求：“我們知道，碳納米管在各個(gè)行業(yè)都有應(yīng)用潛力，但讓行業(yè)接受這些新材料需要很長的時(shí)間，無論是在技術(shù)還是監(jiān)管層面，都是如此。因此，在選擇目標(biāo)市場(chǎng)和應(yīng)用時(shí)，我們要精挑細(xì)選。”

中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟會(huì)將石墨烯相關(guān)項(xiàng)目按發(fā)展階段分類：實(shí)驗(yàn)室階段、試點(diǎn)階段和商品化階段。每一階段的項(xiàng)目會(huì)收到不同程度的支持。聯(lián)盟會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目進(jìn)行追蹤，并在成熟時(shí)進(jìn)行孵化；對(duì)于試點(diǎn)階段的項(xiàng)目，聯(lián)盟會(huì)幫助融資；商品化階段，聯(lián)盟會(huì)邀請(qǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)向潛在投資人和政府代表進(jìn)行商品展示。聯(lián)盟每年的運(yùn)營預(yù)算為800萬元。

蕭曉月在談及領(lǐng)域進(jìn)展時(shí)，以柔性顯示屏作為成功的產(chǎn)品研發(fā)案例：“我們有三個(gè)成員，重慶墨希科技有限公司、無錫市電子儀表工業(yè)和常州二維碳素科技，三家公司都能工業(yè)化生產(chǎn)石墨烯柔性屏，目前正在與國內(nèi)知名電子設(shè)備制造商洽談合作。”

聯(lián)盟的下一步是要解決行業(yè)的最大問題之一，蕭曉月稱之為“石墨烯產(chǎn)品質(zhì)量的全不可控性”。2016年，他協(xié)助發(fā)起了中國國際石墨烯資源產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，該聯(lián)盟正在制定國內(nèi)首部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。此外，他正在與國際電工委員會(huì)等國際組織探討如何減少技術(shù)性貿(mào)易壁壘以及如何突破共同研發(fā)的障礙。

蕭曉月說：“我們正在組建國際標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估委員會(huì)。我認(rèn)為這有助于加速實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)移。”他還說，中國的材料科學(xué)現(xiàn)在最需要的是增加在全球科學(xué)界的曝光率。“我們需要形成國際團(tuán)隊(duì)來開展研究。我們不能悶頭做事，要讓別人知道我們?cè)谧鍪裁础?rdquo;

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責(zé)任編輯：韓鑫