材料是人类社会进步的基石。从石器时代发展到以钢铁为代表的工业时代，以及如今以硅等半导体材料及器件为代表的信息时代，历史的演进无不伴随着材料领域的进展和突破，关键新材料的出现与应用往往是推动新技术革命的直接动力。随着经济社会的发展，新材料推动了人工智能、新能源汽车、高端装备、生物医药等新兴领域的快速发展，并促进着相关行业的快速迭代与进步，显著提升了人们的物质生活水平。鉴于新材料的重要战略作用，世界各国不约而同将新材料作为其主要的发展目标。
▲ 世界各国的新材料发展规划
新材料发展的特点
计算机科学与实验相结合，加速新材料的开发速度。传统材料的研发与改进主要基于经验和实验的积累，以及大量重复性的“试错法”实验，工作量大且耗时长，新材料更新迭代速度较慢。统计显示，传统材料从开发到工业化应用一般需要20～30 年之久。面对新材料产业竞争日益激烈的现状，缩短新材料的研发周期成为当务之急。随着计算机科学与大数据的应用，通过建立材料结构和性能的预测模型，对新材料进行设计并通过实验结果对理论模型进行修正，能够大幅度缩短新材料的研发周期。此外，基于实验数据和高通量理论计算结果，建立材料数据库系统，能够为新材料的设计提供理论和实验依据。
新材料发展与其他学科深度融合。结合先进的材料制备手段，如磁控溅射、分子束外延沉积以及3D/4D 打印等技术，不同结构和功能新材料的研发速度大幅加快。另一方面，新型二维材料如石墨烯、石墨炔、二硫化钼、黑磷、硅烯等新材料的发现，使人们对未知世界的认识和理解进一步加深。简而言之，新材料的出现促进了物理、化学、生物等学科的发展与进步，而相关学科的发展与技术进步也加速了新材料的研发进程。
新材料的发展更加注重节能环保。能源危机、环境污染等问题对人类的可持续发展构成了严重威胁，因此，新材料的开发越来越重视节能环保。例如，通过采用四氟乙烷等取代传统氟利昂制冷剂，使用发光二极管(LED)节能灯，开发和应用节能建筑材料如利用绿色保温材料作为建筑外墙等。此外，对材料研发和应用过程进行全生命周期的监测和评估，提高材料的利用效率，也成为重要发展趋势。
金产学研用合作成为新材料研发的重要方向。新材料的发展不仅需要基础科学的研究，同时需要结合市场的需求。此外，政策和资金的支持也是新材料发展不可或缺的一部分。因此，为实现新材料的创新发展，加强金产学研用合作，结合科研机构和大学、金融机构、创新企业以及政府多方的优势，推动新材料产业全面发展，是加速新材料研发及产业应用的重要途径。
作为材料大国，我国目前虽然具有较为完善的材料制造产业，但关键新材料的研究、开发与应用还明显落后于发达国家，导致在多个领域受制于人。几年前《科技日报》 列举了制约我国工业发展的35 项“卡脖子”技术，其中27 项与材料密切相关，充分显示我国对新材料领域发展的迫切需求和面临的巨大挑战。为振兴新材料产业，2016 年我国工信部发布了《新材料产业发展指南》，明确指出要重点发展先进基础材料、关键战略材料和前沿新材料，以提升我国新材料的自主创新研发能力，实现从材料制造大国向材料研发强国迈进。近年来，我国材料科学研究成果显著，如高温超导材料、石墨烯、纳米材料、光学晶体等。然而，在竞争日益激烈的国际形势下，实现新材料领域的突破，并通过成果转化与应用助力我国关键产业的发展，具有重要战略意义。
▲ 《科技日报》列出的与材料相关的“卡脖子”技术清单
另一方面，社会快速发展和人类物质文明高度发达的同时，能源和环境等问题也愈发突出。随着能源需求的增加，煤、石油、天然气等化石燃料的消耗与日俱增。然而，化石燃料资源有限，快速、持续、大量的消耗导致化石燃料面临枯竭的严峻形势。与此同时，化石燃料消耗所排放的二氧化碳等温室气体导致温室效应、极端天气等气候问题，对人类社会的可持续发展造成严重威胁。为应对上述全球性的问题，世界各国纷纷采取行动。早在1992 年，联合国促成了《联合国气候变化框架公约》以应对气候变化，此后世界各国又相继签订了《京都议定书》(1997 年)、《哥本哈根协议》(2009 年)、《巴黎协定》(2015 年)等，旨在通过节能减排、发展清洁能源等手段，以最终实现碳排放与碳吸收的平衡，即碳中和发展目标。
实现碳达峰、碳中和的战略目标是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局后做出的重大战略决策，是解决我国当前所面临的资源环境约束突出问题、实现绿色可持续发展的必然选择，这一战略目标也是构建人类命运共同体的庄严承诺，体现了我国携手世界各国一道积极应对全球能源短缺与气候变化这一艰巨挑战的坚定决心，彰显了我国作为大国的责任与担当。
作为能源消费大国，中国积极参与并大力推动碳中和。虽然愿景美好，但实现碳中和目标却任重道远。截至2019 年，化石燃料在我国一次能源消费结构中占比仍高达85%，且我国石油资源对外依存度达到70%以上，原油进口超过5.0 亿吨/年，其中80%依赖海运，国家能源安全面临着巨大压力。
▲ 2019 年我国能源消费结构
因此，为保障我国能源安全、实现碳中和，亟待大力发展清洁能源科学与技术，实现能源的高效生产与利用。我认为要实现碳达峰、碳中和的目标，就要求我们努力实现“五化”，即能源生产低碳化、能源使用电气化、工业过程氢能化、能源网络智能化、二氧化碳资源化。作为能源高效生产与利用的关键和重要组成部分，新材料的发展与应用在实现碳达峰、碳中和的进程中将起到至关重要的作用。此外，科普宣传、科技创新、政策保障、全民意识同样是当务之急。
基于作者在新材料和新能源领域多年的研究与思考，《新材料与碳中和》（成会明，唐永炳，欧学武著．北京：科学出版社，2022.7）旨在向读者介绍新材料的重要性，并探讨新材料在碳中和实践中的重要支撑作用。本书定位为新材料与碳中和相关的通识性科学著作，主要面向对新材料与碳中和感兴趣的广大读者，回顾了材料的发展历程，阐述了材料与人类社会发展的密切关系；论述了新材料的战略地位以及世界各国的发展战略；针对能源与环境危机，介绍了世界多国和地区的碳中和发展目标，并重点探讨了现阶段我国实现碳达峰、碳中和所面临的挑战及新材料在清洁能源发展中的关键支撑作用；最后展望了实现碳中和的愿景。
材料科学已创造了众多奇迹，我相信在实现碳达峰、碳中和的进程中，材料科学仍将创造奇迹。碳达峰、碳中和不仅是中国的目标，也是全世界的目标，实现碳达峰、碳中和任重而道远。我衷心希望有更多的科学家、工程师、企业家、公务员、教师、学生和公民都关注新材料，关注碳达峰、碳中和，并加入到实现碳达峰、碳中和目标的行动中，共同推动人类文明的进步！
文章转载：DT新材料