材料是人類社會進步的基石。從石器時代發(fā)展到以鋼鐵為代表的工業(yè)時代，以及如今以硅等半導(dǎo)體材料及器件為代表的信息時代，歷史的演進無不伴隨著材料領(lǐng)域的進展和突破，關(guān)鍵新材料的出現(xiàn)與應(yīng)用往往是推動新技術(shù)革命的直接動力。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，新材料推動了人工智能、新能源汽車、高端裝備、生物醫(yī)藥等新興領(lǐng)域的快速發(fā)展，并促進著相關(guān)行業(yè)的快速迭代與進步，顯著提升了人們的物質(zhì)生活水平。鑒于新材料的重要戰(zhàn)略作用，世界各國不約而同將新材料作為其主要的發(fā)展目標。
▲ 世界各國的新材料發(fā)展規(guī)劃
新材料發(fā)展的特點
計算機科學(xué)與實驗相結(jié)合，加速新材料的開發(fā)速度。傳統(tǒng)材料的研發(fā)與改進主要基于經(jīng)驗和實驗的積累，以及大量重復(fù)性的“試錯法”實驗，工作量大且耗時長，新材料更新迭代速度較慢。統(tǒng)計顯示，傳統(tǒng)材料從開發(fā)到工業(yè)化應(yīng)用一般需要20～30 年之久。面對新材料產(chǎn)業(yè)競爭日益激烈的現(xiàn)狀，縮短新材料的研發(fā)周期成為當務(wù)之急。隨著計算機科學(xué)與大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，通過建立材料結(jié)構(gòu)和性能的預(yù)測模型，對新材料進行設(shè)計并通過實驗結(jié)果對理論模型進行修正，能夠大幅度縮短新材料的研發(fā)周期。此外，基于實驗數(shù)據(jù)和高通量理論計算結(jié)果，建立材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，能夠為新材料的設(shè)計提供理論和實驗依據(jù)。
新材料發(fā)展與其他學(xué)科深度融合。結(jié)合先進的材料制備手段，如磁控濺射、分子束外延沉積以及3D/4D 打印等技術(shù)，不同結(jié)構(gòu)和功能新材料的研發(fā)速度大幅加快。另一方面，新型二維材料如石墨烯、石墨炔、二硫化鉬、黑磷、硅烯等新材料的發(fā)現(xiàn)，使人們對未知世界的認識和理解進一步加深。簡而言之，新材料的出現(xiàn)促進了物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的發(fā)展與進步，而相關(guān)學(xué)科的發(fā)展與技術(shù)進步也加速了新材料的研發(fā)進程。
新材料的發(fā)展更加注重節(jié)能環(huán)保。能源危機、環(huán)境污染等問題對人類的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴重威脅，因此，新材料的開發(fā)越來越重視節(jié)能環(huán)保。例如，通過采用四氟乙烷等取代傳統(tǒng)氟利昂制冷劑，使用發(fā)光二極管(LED)節(jié)能燈，開發(fā)和應(yīng)用節(jié)能建筑材料如利用綠色保溫材料作為建筑外墻等。此外，對材料研發(fā)和應(yīng)用過程進行全生命周期的監(jiān)測和評估，提高材料的利用效率，也成為重要發(fā)展趨勢。
金產(chǎn)學(xué)研用合作成為新材料研發(fā)的重要方向。新材料的發(fā)展不僅需要基礎(chǔ)科學(xué)的研究，同時需要結(jié)合市場的需求。此外，政策和資金的支持也是新材料發(fā)展不可或缺的一部分。因此，為實現(xiàn)新材料的創(chuàng)新發(fā)展，加強金產(chǎn)學(xué)研用合作，結(jié)合科研機構(gòu)和大學(xué)、金融機構(gòu)、創(chuàng)新企業(yè)以及政府多方的優(yōu)勢，推動新材料產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展，是加速新材料研發(fā)及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的重要途徑。
作為材料大國，我國目前雖然具有較為完善的材料制造產(chǎn)業(yè)，但關(guān)鍵新材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用還明顯落后于發(fā)達國家，導(dǎo)致在多個領(lǐng)域受制于人。幾年前《科技日報》 列舉了制約我國工業(yè)發(fā)展的35 項“卡脖子”技術(shù)，其中27 項與材料密切相關(guān)，充分顯示我國對新材料領(lǐng)域發(fā)展的迫切需求和面臨的巨大挑戰(zhàn)。為振興新材料產(chǎn)業(yè)，2016 年我國工信部發(fā)布了《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，明確指出要重點發(fā)展先進基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料，以提升我國新材料的自主創(chuàng)新研發(fā)能力，實現(xiàn)從材料制造大國向材料研發(fā)強國邁進。近年來，我國材料科學(xué)研究成果顯著，如高溫超導(dǎo)材料、石墨烯、納米材料、光學(xué)晶體等。然而，在競爭日益激烈的國際形勢下，實現(xiàn)新材料領(lǐng)域的突破，并通過成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用助力我國關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有重要戰(zhàn)略意義。
▲ 《科技日報》列出的與材料相關(guān)的“卡脖子”技術(shù)清單
另一方面，社會快速發(fā)展和人類物質(zhì)文明高度發(fā)達的同時，能源和環(huán)境等問題也愈發(fā)突出。隨著能源需求的增加，煤、石油、天然氣等化石燃料的消耗與日俱增。然而，化石燃料資源有限，快速、持續(xù)、大量的消耗導(dǎo)致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的二氧化碳等溫室氣體導(dǎo)致溫室效應(yīng)、極端天氣等氣候問題，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展造成嚴重威脅。為應(yīng)對上述全球性的問題，世界各國紛紛采取行動。早在1992 年，聯(lián)合國促成了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》以應(yīng)對氣候變化，此后世界各國又相繼簽訂了《京都議定書》(1997 年)、《哥本哈根協(xié)議》(2009 年)、《巴黎協(xié)定》(2015 年)等，旨在通過節(jié)能減排、發(fā)展清潔能源等手段，以最終實現(xiàn)碳排放與碳吸收的平衡，即碳中和發(fā)展目標。
實現(xiàn)碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略目標是以習(xí)近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個大局后做出的重大戰(zhàn)略決策，是解決我國當前所面臨的資源環(huán)境約束突出問題、實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，這一戰(zhàn)略目標也是構(gòu)建人類命運共同體的莊嚴承諾，體現(xiàn)了我國攜手世界各國一道積極應(yīng)對全球能源短缺與氣候變化這一艱巨挑戰(zhàn)的堅定決心，彰顯了我國作為大國的責任與擔當。
作為能源消費大國，中國積極參與并大力推動碳中和。雖然愿景美好，但實現(xiàn)碳中和目標卻任重道遠。截至2019 年，化石燃料在我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中占比仍高達85%，且我國石油資源對外依存度達到70%以上，原油進口超過5.0 億噸/年，其中80%依賴海運，國家能源安全面臨著巨大壓力。
▲ 2019 年我國能源消費結(jié)構(gòu)
因此，為保障我國能源安全、實現(xiàn)碳中和，亟待大力發(fā)展清潔能源科學(xué)與技術(shù)，實現(xiàn)能源的高效生產(chǎn)與利用。我認為要實現(xiàn)碳達峰、碳中和的目標，就要求我們努力實現(xiàn)“五化”，即能源生產(chǎn)低碳化、能源使用電氣化、工業(yè)過程氫能化、能源網(wǎng)絡(luò)智能化、二氧化碳資源化。作為能源高效生產(chǎn)與利用的關(guān)鍵和重要組成部分，新材料的發(fā)展與應(yīng)用在實現(xiàn)碳達峰、碳中和的進程中將起到至關(guān)重要的作用。此外，科普宣傳、科技創(chuàng)新、政策保障、全民意識同樣是當務(wù)之急。
基于作者在新材料和新能源領(lǐng)域多年的研究與思考，《新材料與碳中和》（成會明，唐永炳，歐學(xué)武著．北京：科學(xué)出版社，2022.7）旨在向讀者介紹新材料的重要性，并探討新材料在碳中和實踐中的重要支撐作用。本書定位為新材料與碳中和相關(guān)的通識性科學(xué)著作，主要面向?qū)π虏牧吓c碳中和感興趣的廣大讀者，回顧了材料的發(fā)展歷程，闡述了材料與人類社會發(fā)展的密切關(guān)系；論述了新材料的戰(zhàn)略地位以及世界各國的發(fā)展戰(zhàn)略；針對能源與環(huán)境危機，介紹了世界多國和地區(qū)的碳中和發(fā)展目標，并重點探討了現(xiàn)階段我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和所面臨的挑戰(zhàn)及新材料在清潔能源發(fā)展中的關(guān)鍵支撐作用；最后展望了實現(xiàn)碳中和的愿景。
材料科學(xué)已創(chuàng)造了眾多奇跡，我相信在實現(xiàn)碳達峰、碳中和的進程中，材料科學(xué)仍將創(chuàng)造奇跡。碳達峰、碳中和不僅是中國的目標，也是全世界的目標，實現(xiàn)碳達峰、碳中和任重而道遠。我衷心希望有更多的科學(xué)家、工程師、企業(yè)家、公務(wù)員、教師、學(xué)生和公民都關(guān)注新材料，關(guān)注碳達峰、碳中和，并加入到實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的行動中，共同推動人類文明的進步！
文章轉(zhuǎn)載：DT新材料