材料作为社会与经济发展的基础物资，一直伴随着时代的进步而前行。当今世界进入信息时代，其基础物资正是以硅为代表的功能材料。2011年中国政府公布的促进经济转型的七大战略性新兴产业中，新材料正处其中；而其他四项:新能源、节能环保、新能源汽车、新一代信息技术，也都与材料密切相关。在专家评选的中国2011年十大科技进展中，有六项也得到材料研制的有力支撑，分别是歼-20飞机、北斗导航系统、快中子堆、嫦娥二号、神八天宫对接、蛟龙号潜水器。

现代材料科学通过改进已有的制备技术或发明新的技术，从而获得更高性能或具有新性能的材料。通过表征设备性能的提高，从更深入的层次来理解材料结构与性能的关系。这是本学科发展的总体态势。随着科学的发展，材料科学与物理、化学、信息、生物等学科的交叉更为明显。准晶、超构材料等超出平移周期性但又具有广义周期性的晶体，碳-60-碳纳米管石墨烯材料，超晶格材料，诱导人体组织生长的生物医学材料应运而生，为材料学科的丰富与拓展打开了新的前景。因此，材料科学发展战略的研究更显其必要性和重要性。中国科学院技术科学学部认为，充分发挥中国科学院学部的咨询和思想库作用，长期深入开展基于国家利益的跨行业、跨部门、跨领域的材料战略研究具有重要意义。

材料通常按其属性分为结构材料、功能材料、多功能材料、生物材料。随着节能、可持续发展和经济转型需求的日益迫切，材料可以从新的视角进行分类，即能源相关材料——安全的、清洁的、可负担的采集、运输与使用能源有关材料；可持续性材料——聚焦于交通、建筑与基础设施、有利于降耗、重复使用与循环经济的材料；高端市场有关材料——包括人体健康、有创造力的工业、国防与安全有关材料。这种分类更靠近使用需求，或者说更符合市场需求。

表1 是把通常分类的材料与技术按上述三种需求进行分类[1]。

 表1　按使用需求将材料分类

由表1 可以看出，凡是研究历史比较悠久的材料和有关科学领域，适应时代的进展需求也比较好，从而在三种需求方面都得到认可。相对而言，与生态相关的材料和有关材料科学问题，则正在发展之中。

以下就当前最受关注的纳米材料、新能源材料、生态环境材料作简单回顾。

2011年在纳米材料及其应用方面取得许多进展。相应文献[2]对此进行了综述，将其转述如下:

中国科学家采用温控电弧炉大批量制备出非晶碳纳米管，并提出非晶碳纳米管生长的物理模型，为非晶碳纳米管的可控制备与应用提供了新的思路。

美国物理学家将只有几个埃大小的铁单晶放入空的碳纳米管的内部，铁的纳米晶可存储数据位。美国研究人员用化学插层的方法，将钾原子插入氮化硼纳米管中，钾会撕开纳米管的化学键并与之组合成新的化学键，使纳米管沿纵向撕开，形成纳米带。

美国、澳大利亚、加拿大、韩国等国研究人员合作，用碳纳米管制备出新型螺旋纱纤维，其扭曲能力有数量级的提高，有较好的应用前景。

中国和美国科学家合作，利用甲醇和乙醇混合碳源，借助碳纳米管和石英单晶晶格的相互作用，在石英表面制备出含量为95%~98%的半导体型平行单壁碳纳米管，实现了对碳纳米管平行性和导电性的同时控制。

南开大学研究组成功合成纳米晶M_xMn_3-xO₄ (M是二价金属)尖晶石，用于氧化还原反应和析出反应，大大提高了反应活性。

美国研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间大量快速穿梭运动的特性，开发出新型储能设备，使之兼具高功率密度和高能量储存密度的特性，有可能将充电时间从数小时缩短到一分钟以内。美国伦斯勒理工学院研究人员制成“纳米铲”，可减轻阳极充电时的压力，使小型锂电池充电速度有数量级的提高。美国科学家发现偶苯功能化碳纳米管在太阳能储存方面有快速、容量大的优点。美国佐治亚理工学院的科学家用氧化锌制成的纳米金属丝，在受迫振动时会产生微弱电压，使用数百万条纳米金属丝制成“纳米发电机”，由5个“纳米发电机”组成的微型晶片就能产生3伏电压。

北京大学研究组利用碳纳米管能产生光伏效应的性质，通过使碳纳米管虚拟接触，可将碳纳米管产生的光伏电压放大，在一根长10微米碳纳米管产生了超过1伏的电压。

超构材料主要是针对可见光设计的，所以构件单元和周期排布的距离也在数百纳米量级。美国科学家用纳米超构材料研制出“隐形毯”，它专门为需要隐匿的物品而特制。根据大小不同而设计不同的纳米多孔氧化硅基底，使物体在整个可见光波段都无法被侦测到。

中国和美国科学家采用锰掺杂和微纳加工相结合的办法，将居里温度为180开的(镓、锰)砷薄膜加工成纳米尺寸条状结构，再通过低温退火使居里温度提高到200开，改写了之前191开的世界纪录。

德国科学家利用光学镊子，把高度聚焦的激光束用来捕获、加热并控制金纳米粒子，使之融化细胞膜，从而溶解生病的细胞。

美国科学家研制出多孔的直径为150纳米的二氧化硅粒子，使之存储种类繁多的药品，据说可以用于攻击癌细胞。

加拿大科学家结合叶绿素及脂质制造出独特的纳米粒子，其结构如同微小又多彩的水球，可装填药物来治疗所瞄准的肿瘤。

英国科学家开发出一种直径为几十纳米的微粒，每个微粒可以携带上百个光敏分子，如果把这种微粒送入肿瘤，将起到治疗作用而不会在健康组织中引起副作用。英国科学家研发一种可以实时监测糖尿病患者血糖的纳米贴片，其上有许多微小针头，每个针头都包含精密的纳米线，可以感应患者血液成分。

美国和印度科学家用一种高分子乳酸糖酵解酸聚合物将直径约200纳米的螺旋状碳纳米管纤维编织成一片直径22毫米、厚约15微米的圆形网状心脏纳米补丁，这种人造纳米补丁能再生出天然的心肌细胞和神经细胞，让心脏上面的受损区域重新修复。

美国科学家使用嵌段共聚物合成出一种新型纳米膜，孔洞约为55纳米，足以让水分子通过而过滤出细菌，人类有望通过这种手段获得健康饮水。

英国科学家利用类似的技术，在50纳米孔中利用电荷高速推进DNA链，当DNA 链出现在芯片后面时，它的编码序列被一种电极接头读取隧道电流，这大大加快了DNA 测序速度。

以上转述，对于纳米领域的科学家的研究成果而言，只是其中一部分，仅希望能引起读者的兴趣。

新能源材料主要关注高能量转换效率与存储材料和高效催化材料。这包括:①高效低成本太阳能利用材料。②高效二次电池材料。③质子交换膜燃料电池材料。④中低温固体氧化物燃料电池材料。⑤超级电容器材料。⑥储氢材料。⑦非贵金属催化材料。贵金属被证明是很好的催化材料，从可持续发展的要求，寻找非贵金属新型催化材料已迫在眉睫，主要关注贵金属催化剂替代；纳米尺度新型非贵金属催化材料的催化性能及规模化应用；非贵金属催化材料的功能调控及新催化体系的开发及拓展。

从催化材料的角度，介绍三方面的进展。

二氧化碳被认为是无色、无味的无害气体，现在已被证明为全球气候变暖的罪魁祸首。全世界每年排放350亿吨二氧化碳，为减少碳排放，各国政要展开热烈讨论、企业家们费尽思量。除了深埋储藏途径外，化学家看重二氧化碳的碳和氧元素，作为单质，它们都是很好的能源。首先，利用纯二氧化碳制甲醇，已经达到工业规模，全世界有近90家这样的工厂。

化学家认为目前的工艺路线并不高效，一方面不能很好利用燃煤从烟囱中排出的废气;另一方面所使用的催化剂也有待改进。德国的科学家分析了目前使用的催化剂体系:铜+氧化锌+氧化铝。通过精巧的配比和严格控制的工艺(pH 和温度)，确实收到好的效果。但从工业界看来，将铜微粒放置在光滑的氧化锌表面的催化剂没法搬到大生产的反应器中。科学家从谱仪和透射电子显微镜的研究中发现，催化剂一方面要高的比表面(这样的多孔铜称为“纳米海绵”)，另一方面要想法将氧化锌颗粒渗到铜的孔中，催化剂的活性区域正是氧化锌与铜缺陷区的接合部。这样的催化剂满足了工业界的需要。其他的利用包括用镍作催化剂将甲烷加二氧化碳变成一氧化碳加氢气，通常称为合成气，将苯和二氧化碳在氧化物催化下生成苯乙烯。

人们意识到地球的化石能源终有枯竭的一天，寻找可持续的替代能源迫在眉睫。太阳能、风能、水力能既清洁，又取之不竭，这虽然很好，但比之石油和煤，它们也只能转变成电能。例如，它们不能做出塑料瓶。化石能源中的有机物成分极其可贵，它们是许多化工原料的来源。生物质同样来自大自然，同样含有丰富的有机物成分。生物质主要包括薪炭林、经济林、用材林、农作物秸秆和农林产品加工残余物(如甘渣、木屑)等。作为唯一能够直接转化为液体燃料的一种可再生能源，生物质以其产量巨大、可储存和碳循环等优点引起全球的广泛关注。将可再生的生物质资源转化为洁净的高品位液体燃料部分替代石油，不仅可使我们摆脱对有限石油资源的过分依赖，而且能够大幅度减少污染物和温室气体的排放，改善环境，保护生态。生物质油(Bio-oil)是纤维素、半纤维素和木质素的各种降解物所组成的一种混合物。其初步市场定位是替代重油、柴油和煤焦油等。生物质油可作为燃料直接燃烧使用，例如，可用作燃油锅炉和工业窑炉燃料；也可经过精制加工后可替代0号柴油作为内燃机燃料；亦可作为化工原料提取或加工各种化工产品(如防腐剂、食品调料、脱硫脱硝剂、有机肥料、羟基乙醛、左旋葡聚糖等)。

发展生物能源产业必须具备资源条件、技术条件和体制条件。中国发展生物能源产业有着巨大的资源潜力。我国人口多，虽然可作为生物能源的粮食、油料资源很少，但是可作为生物能源的生物质资源有着巨大的潜力。如农作物秸秆尚有60%可用于能源用途，约合2.1亿吨标准煤，有约40%的森林开采剩余物未加工利用，现有可供开发的生物质能源至少能达4.5亿吨标准煤，同时还有约1.33亿公顷宜农宜林的荒山荒地可用于发展能源农业和能源林业。利用农林废弃物，开发宜林荒地，培育与生产生物能源资源发展生物能源产业，还可以增加农民的就业机会。

生物质油的关键技术环节是快速热解，这一技术理论提出于20世纪70年代末，即将经粉碎后的农作物秸秆快速加热至500多度，促使其由大分子热解裂变为小分子形成油离蒸气，再快速冷凝生成生物质油。目前这技术的效率还不高。从催化剂的角度看，因为参加反应的大分子比较多，要提供广谱催化效应的催化剂有很大难度。另外，生物质来源的分散也是个问题，收集生物质同样要耗费能源。

长期以来，催化剂是贵金属一枝独秀，其缺点是资源少、用量大。最近科学家发现碳纳米管在苯乙烯生产中的催化作用很好，苯乙烯是塑料生产的重要原料，年产量达2千万吨。世界上第一条碳纳米管催化生产苯乙烯的中试线建在中国。

新型高性能海水/苦咸水反渗透膜的制备、结构形态调控及其检测；重污染水应急吸附和凝聚材料的设计与快速吸附机制；荒漠化治理和农林业种植用环境友好材料的制备与生物可降解性。

天然高分子的多层次结构、塑化和熔融加工、新溶剂和溶解机制及溶液性质研究；以全部或部分生物质为原料合成生物可降解高分子材料的结构设计与合成及其合成新方法；生物可降解高分子材料的新型高效催化剂体系的研究；生物降解高分子材料的降解性表征方法、流变学、生物降解机制、降解速度与力学、热学综合调控方法研究。

在21世纪跨入第二个10年之际，各国都制订2010年之后若干时间段的材料科学发展战略规划。我国在不同层面(如国家自然科学基金委员会、高技术计划、重点基础研究发展计划等)也制定了“十二五”材料领域发展规划。国家自然科学基金委员会和中国科学院合作研究了《未来10年中国学科发展战略·材料科学》[3]；中国科学院发布了《中国至2050年先进材料科技发展路线图》[4]。关于未来若干年的材料科学发展趋势，不同研究组给出趋同的意见，现按文献[3]的表述归纳如下：

综合利用现代科学技术的最新成就，发展现代材料科学;通过多学科交叉融合，不断开拓创新，共同创建“物质科学技术”大学科。

以原子、分子为起始物质进行材料合成，并在微观尺度上控制其成分和结构，已成为现代先进材料合成制备技术的重要发展方向；环境协调和低成本的合成制备技术普遍受到人们重视；在某些领域，材料合成制备已与器件设计制造实现一体化；材料制备合成的新技术、新装备不断涌现。

在未来较长一段时间内，材料研究将向两个方向不断发展：小到纳米尺寸及原子量级，大到大型和超大型结构。一方面，对于超小尺寸和超大尺寸材料、器件的制备的越来越强烈的需求，需要更加系统的理论来支持；另一方面，计算技术的发展使得在不同尺度的多个单元设计和模拟成为可能，而观测精度的不断提高和视场的不断扩大也使得从原子尺度到微观再到宏观的研究从实验上成为可能。如何实现从原子层次到宏观材料行为的多层次设计和研究，进行各尺度之间的耦合，建立起跨尺度的材料系统理论是材料科学亟待解决的问题，材料科学家在这一方面进行了有益的探索，这方面，纳米材料与器件科学技术是当前及未来一段时期内纳米科学技术的研究重点之一，在未来一段时间还会有重大的发展。

材料的生产和应用经历“自然资源—材料—零件—器件—系统—废品/资源”的过程，相应地，材料全寿命成本包括原料成本、制造成本、加工成本、组装集成成本、检测成本、维护成本、修复成本和循环使用成本，是材料在其寿命周期中对资源、能源、人力、环境等消耗的叠加。随着社会经济的发展和科学技术的进步，考虑材料的全寿命成本并研究应用相应的控制技术已经或即将成为必然趋势。

材料按用途可分成结构材料和功能材料。进入21世纪，材料的产量增速放慢，但是对材料综合性能的追求更高，原有品种的性能在不断改善，性能更为优越的品种不断增加，人们不断开拓出具有新功能的材料。现阶段材料结构功能一体化的需求更加突出，实现材料的结构功能一体化，同时实现材料与器件相结合，制备的器件多功能化是材料的发展趋势之一。

2010年诺贝尔物理学奖颁发给石墨烯的发现者，2011年诺贝尔化学奖授予准晶的发现者。新研制的材料层出不穷，新材料品种千千万万，但能在物质科学的基本认知上有所发现，非常可贵。石墨烯和准晶的获奖，是材料科学领域的重要事件。

在新兴国家的经济腾飞中，作为基础材料的金属材料功不可没。钢铁材料的作用尤为显著。但这些材料的生产带来的能源及资源耗费，也引起社会的重视。在全球社会与经济发展中，功能材料的发展是最快的，而且起某种引领作用。

在材料学科发展方面，材料的使役性能一直受到关注。日本福岛核电站受海啸的冲击，引起人们对核电安全性的恐慌。材料科学家有责任对核电材料的可靠性问题做出解答。材料追求高强度，同时有足够的韧性，是最好的选择。近年来，从块体纳米铜材料研究出发，中国和美国科学家提出利用孪晶的共格界面来强化并吸收部分位错以达到提高韧性，为金属材料的研制开拓出新的局面;在2011年美国提出“材料基因组工程”之后，材料的计算设计成为材料领域新的热点;材料的组织结构与性能表征成为材料科学四大支柱之一。近年由于透射电子显微镜实现了像差校正，不仅将分辨水平深入到亚埃尺度，而且电子束的品质也大为改善，使得诸多谱仪的空间分辨率和能量分辨率都上了一个台阶。

中国材料界的另一个重要事件是师昌绪院士获得2010年度国家最高科学技术奖。师昌绪院士带领的科研团队自主设计并研制成功的九孔高温合金涡轮叶片，使我国成为继美国之后第二个开发该关键材料技术的国家，40多年来大量应用于我国多种飞机发动机。他获得国际材料学会联合会授予的“实用材料创新奖”，是中国金属学会高温合金领域唯一的“终身成就奖”获奖人。师昌绪院士作为材料研究领域的战略科学家，以敏锐的洞察力、前瞻的战略思维、强国富民的责任感，在我国科技发展战略咨询中做出了重大贡献。师昌绪院士的获奖是中国材料界的光荣，我们向敬爱的师昌绪院士表达最诚挚的祝贺和最崇高的敬意。

参考文献

[1]The Technology Strategy Board of UK. Advanced Materials-Key Technology Area 2008~2011，2007.

[2]汪凌勇，张树庸，叶小梁等. 2011年世界科技发展综述//中国科学院. 2012科学发展报告. 北京：科学出版社，2012：73-76.

[3]国家自然科学基金委员会，中国科学院. 未来10年中国学科发展战略·材料科学. 北京：科学出版社，2012.

[4]中国科学院先进材料领域战略研究组. 中国至2050年先进材料科技发展路线图. 北京：科学出版社，2009.

本文摘编自中国科学院编《中国学科发展战略·材料科学》第一章绪论部分，内容略有删减改动。

《中国学科发展战略·材料科学》

中国科学院　编

责任编辑：樊飞

ISBN：978-7-03-037376-2

“中国学科发展战略”丛书由以院士为主体、众多专家参与的学科发展战略研究组经过深入调查和广泛研讨共同完成，涉及自然科学各学科领域。

《中国学科发展战略·材抖科学》包含石墨烯、准晶、光电功能材料、钢铁工业发展、核电材料、材料基因组工程、超构材料、材料组织结构研究等八个专题，详细分析了材料科学各领域的发展现状和态势，以及我国材料科材料科学学各分支学科的未来发展战略， 并在此基础上对我国材料科学未来发展提出了针对性的政策建议或保障措施。

（本期编辑：小文）

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