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      1. 材料科學大熱門,中國科學家蓄勢待發 | 聚焦材料中國
        2019-06-12 14:53:46 作者:Sarah O'Meara 來源:Nature自然科研 分享至:

         一系列精心設計的研發項目以及經費的增加使廣大研究人員大為受益。


        當張達威辦完赴美學生簽證續簽時,已經來不及了。當時,這位29歲的材料科學家已經攜妻兒回到了中國,成了北京科技大學的一名博士后——北京科技大學的新材料技術研究院在全國名列前茅。續簽延誤促使張達威接受了一份國內職位,而沒有繼續留在美國從事自修復材料研究。


        回頭看,張達威才意識到當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10億元的國家項目——材料基因工程(Materials Genome Engineering,MGE),該工程旨在提高中國新材料研發的速度和效率。


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        去年成都的一個展覽會上展出了一款柔性屏手機。

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

         

        過去十年來,此類大型科學項目在中國越來越多,為相關國家計劃提供了關鍵支撐。中國政府計劃讓中國成為高科技經濟體,能夠并跑甚至領跑全球領先的科學大國


        材料基因工程于2016年正式啟動,旨在對標美國的“材料基因組計劃”(Materials Genome Initiative,MGI)——美國聯邦政府對該計劃投資2.5億美元,希望能將先進材料科學轉化為產業應用。取名的用意在于呼應生物學領域的一些超級項目,如人類基因組計劃(Human Genome Project)。中國政府的政策制定者希望更好地利用國家數據庫內儲存的材料行為相關信息,推進新材料的開發。


        但是,研究人員仍處于摸索階段。張達威的團隊連理解數據科學家的方法都有困難,對此他表示,這是全球都面臨的一個普遍問題。


        “我們在為材料基因工程準備計劃書時,就意識到了這個問題,但直到我們真正開始做的時候,我才發現這將是個長期問題。”


        張達威表示,實驗室的學生經常做得比資深教授更好。“他們私底下有更多時間去鉆研一些新想法。”


        張達威說,材料基因工程的最終目標是開發出一個中心化智能數據挖掘軟件平臺,可以讓汽車制造、煉鋼和造船一類的企業獲得有關材料行為的即時反饋


        在北京新材料技術研究院的實驗室里,張達威的團隊是一支交叉學科隊伍,有些成員主要關注材料基因工程(見“硬數據”),其他成員則負責基礎研究。數據科學家會幫他處理數據庫里的信息,協助創建新的材料模型;而生物學家則會關注微生物對腐蝕的影響。此外,他所在的研究院還會邀請美國和歐洲的客座教授來訪。


        硬數據

         

        二十世紀八十年代:中國高校與研究院所在中央政府的財政支持下,建立了 23個小規模材料數據庫,但數據庫的使用和更新非常緩慢。

        2000年:中國18個研究所聯合建立了兩個國家級材料數據庫,首次提出以標準化格式進行材料收集和錄入。(見http:// www.materdata.cn)。

        2016年:中國的政策制定者投資材料基因工程項目的數據庫和大數據技術開發,以對標美國前總統奧巴馬在2011年啟動的材料基因組計劃。


        中國科學家認為,要做出杰出的科研成果,需要有多元化、跨學科的研究團隊,而這正是一般實驗室所缺少的。張達威說:“中美兩國各自的材料基因組計劃擁有共同的目標,那就是以更快的速度和更少的費用產出更好的材料。與國外科學家合作非常重要,因為材料基因組是個全新的領域。我們需要一起找到最優路徑。”


        經費充裕

         

        自2008年以來,中國的材料科學經費投入已經增加了三倍,材料科學也是國家自然科學基金的第二大資助學科,僅次于醫學(見“中國增撥材料經費”),這讓中國材料科學的研究規模水漲船高。Web of Science的統計數據顯示,材料科學論文數量在2006年到2017年期間增加了兩倍有余,達到4萬篇左右(見“巨大進步”)。2015年,中國研究者發表的所有論文中,約九分之一為材料學論文


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        來源:國家自然科學基金

         

        2006年至今,在一項國家計劃的指導下,中國的科學研發經費主要用于在2020年前提高中國的創新水平。這項計劃包括一系列宏偉的研發項目,比如探月工程以及首架自主設計的客機。制定這些目標是為了推動實現技術突破,增強國家的經濟前景,而材料科學對于實現這些目標具有非常重要的作用。


        2018年,國家自然科學基金總共資助了701個重點項目,總計金額超過20億元,包括材料基因工程以及納米技術和先進電子材料方面的研究。同年,科技部對6個重點專項的支持經費超16億元,其中包括納米技術。


        如今,中國在23個具有鮮明技術應用的領域發表的高質量研究論文超過了世界上任何其他國家,這些領域包括電池、半導體、新材料和生物技術。11月,由清華大學博士畢業生于2014年創建的清陶發展宣布,公司已研發出全國首個固態電池生產線。


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        來源:Web of Science

         

        隨著中國的影響力日益提升,從中國科學家可以獲得的資源來看,他們是否取得了應有的成績,還無法確定。John Plummer曾是《自然-材料》駐上海的高級編輯,現在是自然合作期刊高級責任編輯,他認為中國在某些材料科學領域已經走在了前列,如納米材料、凝聚態物理和結構材料,但在整體材料研究方面尚無法與美國或歐洲相比。


        南京大學納米材料科學家朱嘉說:“我們需要去推動原創的想法。美國科學家在開辟一個新項目或研究方向時,不會人云亦云地說‘別人在做什么,我們也應該做什么’。但在中國,我們仍在以他人為參照。”


        冒險一試?


        2014年,地球物理學家毛河光開始在美國卡耐基研究所和上海兩地之間輾轉。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問題之一。“他們問我:‘如何才能提高基礎研究的質量,而不僅僅是數量?' 。” 毛河光主要研究材料如何應對極端壓力。他讓政府官員給他出資建立一個實驗室,用來產出“真正顛覆性的研究成果”。他解釋道,實驗室可能無法立刻產生突破,但他能保證從世界各地招來和他一樣有產出潛力的科學家——毛河光的產量是不證自明的:在他的職業生涯中,他在《自然》和《科學》上相繼發表了65篇論文。


        中國科學院是中國最大的科學機構和政策制定顧問機構。2008年,在中科院與國家自然基金舉辦的一次活動中,毛河光說:“給我錢,我就能給你科學家。”毛河光1996年當選為中國科學院外籍院士。政府官員給了他要的錢,2013年,高壓科學研究中心(HPSTAR)成立,并在上海和北京建立了分中心。毛河光實驗室的經費并非來自科技部,而是由財政部直接劃撥。


        毛河光說他吸引到了來自加拿大、埃及、德國、日本、俄羅斯、英國和美國的科學家。“中國的體制在支持基礎研究方面不夠高效。我有幸能讓科學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管和評審評估。政府當然關注我們的進展,但是以一種非常低調的方式。”


        毛河光申請經費的全新方法,成功移除了創新性材料研究面前的一個主要結構性障礙。從事儲能方法研究的中科院福建物質結構研究所化學家溫珍海表示,在中國,科研人員獲得的經費數量主要取決于他們在高質量期刊上的發文數量。“初級研究人員必須要扛住激烈的經費競爭,這讓我們不得不蹭一些熱門的研究領域,即使那意味著我們的研究可能并無創新性,可能與他人的研究會重復。”


        毛河光堅信,沒有束縛的科學家才能做出好成績。能有機會放手去做在一定程度上促使物理學家Philip Dalladay-Simpson決定申請來上海實驗室研究極高壓下的分子系統響應。2010年,Philip Dalladay-Simpson從倫敦瑪麗女王大學畢業,隨后開始研究氫對極端環境的響應,并在2016年從英國愛丁堡大學博士畢業,正逢高壓科學研究中心也開始招賢納士。


        Dalladay-Simpson說:“能有機會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域,這讓我最初有點不知所措,因為我對自己的事業發展從沒有過這種期待。”


        毛河光團隊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目之一,已于2009年投入使用,總投資達12億元。在這里,高壓科學研究中心的科學家使用X射線詳細了解材料在壓力條件下的行為。毛河光說:“我們團隊至少每個月都要用到該設施,所以我們索性在附近租了實驗室。”


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        一名工程師正在東莞的散裂中子源國家實驗室調試設備;科學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,成為世界科技強國。對于工程師陳光來說,他每天都能感受到這一宏偉目標所帶來的壓力。


        中國希望建造自己的大飛機。目前,國產商用飛機使用的全是進口發動機。因此,當南京理工大學的陳光在2016發表了一篇關于可用于制造飛機發動機的新合金論文(G. Chen et al. Nature Mater. 15, 876–881; 2016)后,頃刻之間,無數研究經費朝他涌來。


        2017年,陳光獲得了一筆總額300萬元的主要研究經費,是一般國家自然科學基金經費的5倍。此外,他還獲得了兩筆60萬元的經費。雖然能得到需要的支持讓陳光很欣慰,但他清楚,如果經費用完時還看不到成果,就會產生嚴重后果。他說:“這會影響到我本人的科學聲望和今后的項目申請。” 陳光在這一領域深耕20年有余,但他預計商業化還需要再等10年。來自南方科技大學的化學家蔣興宇表示,這種速度并沒有趕上政府或整個行業對研發人員的期待。


        “如果你在基礎研究領域有很高的產出,大家會期待你能產出同樣高水準的產品——這是許多政府官員和民間資助者的真實想法。但是,我們今天所用的產品很多都是基于20年或30年前的研究成果,”他說,“在中國,愿意進行必要的研發投資,將產品推向市場的大型企業并不多。”


        對于中國的科學家來說,實驗室通往高科技生產線的道路并不順暢。政府和企業都缺乏技術商業化的經驗,科研人員在沒有基礎設施和專業知識支持的情況下,難以滿足如此高的期待。


        溫珍海在威斯康星大學麥迪遜分校完成電化學能轉化與存儲的博士后研究后,于2014年回國。回國以后,溫珍海積極與企業開展合作,受邀會見當地政府官員,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化為商業應用。


        他們曾提出要支持我成立一家公司,或替我與一家本地公司牽線搭橋。不過,溫珍海對這背后的困難非常警惕。“創立一家公司不難,但是我曾見過許多公司由于缺乏大規模生產經驗、管理不善、市場需求不足而倒閉。”


        為了引導科學家創業,政府出臺了一系列激勵措施,如給予科學家初創企業的股權并讓他們少做研究多做開發,然而,整個大環境仍然非常殘酷。


        溫珍海認為需要進一步增進研究團隊與制造企業之間的相互理解,他說:“實驗室內的新材料開發通常沒有充分考慮市場需求,因此難以獲得來自企業的經費支持。

         

        納米材料蓄勢待發

         

        當英國曼徹斯特大學的科學家分離出石墨烯,并因此榮獲2010年諾貝爾物理學獎時,這一發明被認為將改變整個電子學領域。然而,這一輕薄柔軟、強度高、導電性好的納米材料并未達到人們最初的預期,如果它的潛力可以完全兌現, 中國已經準備好乘勢而上。


        中國很早就發現納米科學發現可以帶動國內科學、技術和經濟的發展。2003年,中科院與教育部成立了國家納米科學中心;如今,政府統計數字顯示,中國擁有全球最多的石墨烯企業——近3000家。此外,中國占全球石墨烯產量的三分之二左右。


        化學家蕭曉月表示,問題在于,這類石墨烯生產企業多為中小型企業,除非它們能找到一個可持續的商業模式,否則長期運營將難以為繼。


        2013年,蕭曉月與中國國際技術轉移中心的材料工程師李義春有了一個想法,他們想讓這些企業聯合起來共同成長。蕭曉月說:“好的一面是有很多從事石墨烯或石墨烯相關技術的小型企業;壞的一面是,很多企業都難以維持下去。” 同一年,蕭曉月和李義春共同發起了中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟,嘗試通過推動產學研合作,改變這一現狀。蕭曉月表示:“投資人投了很多錢,但很快就感到不滿,因為這些公司無法研發出可以銷售的產品。”

         

        總部位于美國加州的天奈科技(Cnano Technology)將清華大學化學工程師2001年開發的技術用于碳納米管和石墨烯的批量生產,年營收超5000萬美元。天奈科技的毛鷗有著20年的產業研發經驗,他說公司確保產品對接市場需求:“我們知道,碳納米管在各個行業都有應用潛力,但讓行業接受這些新材料需要很長的時間,無論是在技術還是監管層面,都是如此。因此,在選擇目標市場和應用時,我們要精挑細選。


        中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟會將石墨烯相關項目按發展階段分類:實驗室階段、試點階段和商品化階段。每一階段的項目會收到不同程度的支持。聯盟會對實驗室項目進行追蹤,并在成熟時進行孵化;對于試點階段的項目,聯盟會幫助融資;商品化階段,聯盟會邀請項目團隊向潛在投資人和政府代表進行商品展示。聯盟每年的運營預算為800萬元。


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


        聯盟的下一步是要解決行業的最大問題之一,蕭曉月稱之為“石墨烯產品質量的全不可控性”。2016年,他協助發起了中國國際石墨烯資源產業聯盟,該聯盟正在制定國內首部相關標準。此外,他正在與國際電工委員會等國際組織探討如何減少技術性貿易壁壘以及如何突破共同研發的障礙。


        蕭曉月說:“我們正在組建國際標準評估委員會。我認為這有助于加速實驗室向產業的技術轉移。”他還說,中國的材料科學現在最需要的是增加在全球科學界的曝光率。“我們需要形成國際團隊來開展研究。我們不能悶頭做事,要讓別人知道我們在做什么。”


        原文以Materials science is helping to transform China into a high-tech economy為標題發布在2019年3月20日的《自然》SPOTLIGHT上。

         

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        Nature|doi:10.1038/d41586-018-07853-5

         

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        責任編輯:殷鵬飛

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