1.1　新材料研究的發(fā)展規(guī)律

（1）交叉融合加速創(chuàng)新

新材料研究日益依賴多學科協(xié)同創(chuàng)新。多學科交叉、多技術融合快速推進了新材料的研究、新功能的發(fā)現(xiàn)和傳統(tǒng)材料性能的提升。百年諾貝爾獎，有超過40%獲獎者的研究領域屬于交叉學科。尤其在20世紀最后25年，95項自然科學獎中，交叉學科領域有45項，占獲獎總數(shù)的47.4%。在交叉學科領域進行研究或運用交叉學科的技術和方法進行研究并非簡單地把不同學科組合起來，而是有深層次的多學科融合，交叉融合的模式包括捆綁式、滲透式和螯合式。許多新材料的產(chǎn)生和發(fā)現(xiàn)都源于多學科交叉，所有這些交叉模式都會催生新的學科生長點，也會產(chǎn)生較多的重大成果。

（2）研究模式加快轉變

依賴于試錯與大量重復的傳統(tǒng)材料制備研究方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代科學發(fā)展與技術進步的需要。革新研究范式、發(fā)展新的材料制備方法研究、縮短材料從研究到應用的進程成為加速科技進步的關鍵。美國在2011年6月宣布了“材料基因組計劃”（Materials Genome Initiative，MGI），利用材料設計數(shù)據(jù)庫等，以及通過高通量制備，建立材料成分-顯微組織-材料性能-環(huán)境參數(shù)-服役壽命之間關系，推動新材料的研發(fā)、設計、制造和應用發(fā)生重大變革，縮短新材料研發(fā)周期和大幅降低研發(fā)成本，并加快探索發(fā)現(xiàn)新材料，實現(xiàn)材料新功能，從而加速新材料的創(chuàng)新過程。2019年，我國國家自然科學基金委員會發(fā)布了“功能基元序構的高性能材料基礎研究”重大研究計劃，提出以功能基元為基本單元，通過空間序構構成具有突破性、顛覆性宏觀性能的高性能材料，滿足信息、能源等領域和極端服役條件等對材料的特殊性能需求，解決其中的關鍵科學問題與技術問題，揭示功能基元序構的材料中蘊含的規(guī)律，建立相應的理論，發(fā)展材料設計的新原理和先進制備技術，逐步實現(xiàn)按需設計變革性和顛覆性新材料的目標，提高我國在材料科學領域的整體創(chuàng)新能力。

（3）全生命周期綠色化，資源高效利用

新材料研究在追求優(yōu)異性能的同時，必須滿足生產(chǎn)和使用過程的綠色、低碳、環(huán)境友好的要求。全周期的資源高效利用和生態(tài)環(huán)境化是新材料基礎研究及其產(chǎn)業(yè)在資源和環(huán)境問題制約下，滿足經(jīng)濟可承受性，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。世界各國都積極將新材料的發(fā)展與社會綠色發(fā)展結合，高度重視新材料與資源、環(huán)境和能源的協(xié)調(diào)發(fā)展，大力推進與綠色發(fā)展密切相關的新材料開發(fā)與應用。比如，歐洲提出材料全生命周期技術，對鋼鐵和水泥等大宗基礎材料的能耗、環(huán)境載荷要求降低20%以上；對新能源材料和環(huán)保節(jié)能材料等的研發(fā)生產(chǎn)，高度重視從生產(chǎn)到使用全生命周期的低能耗、低成本、清潔化和綜合利用等。

（4）發(fā)展方向更加多元化

新材料正向著多功能化、微型化、集成化、智能化和復合化等方向并行發(fā)展。結構材料在向強度、剛度、韌性、耐高溫、耐腐蝕、高彈和高阻尼大幅度提升的方向研發(fā)。高性能結構材料不斷出現(xiàn)和廣泛應用，促進新產(chǎn)品向體積小、重量輕、能耗低、成本低的方向發(fā)展。功能材料也在由單一功能向多種功能開發(fā)方向發(fā)展，并把功能材料與元器件結合起來，實現(xiàn)一體化。智能材料同時具有感知和激勵雙重功能，如憶阻材料、自修復材料、快速反應形狀記憶合金、高靈敏壓電陶瓷和磁致伸縮材料等。智能材料往往能夠解決傳統(tǒng)材料難以解決的技術難題，在重要工程和尖端技術領域具有重要的應用前景。復合化能滿足當代高技術中綜合性能的要求。把不同種類和不同性能的材料通過一定的途徑和技術復合為一體，取長補短，可獲得比單一材料性能更好或具有某種特殊性能的結構-功能一體化復合材料。例如，由碳纖維增強的陶瓷基復合材料，已成為航空工業(yè)的重要結構材料。

（5）高端設備和先進表征技術的依賴性更強

材料表征和評價科學技術已成為新材料發(fā)展的重要基礎。新材料的探索需要多維多尺度高通量的表征技術，材料表界面、缺陷和電子結構等先進的原位和非原位表征技術。利用這些高端設備和原位表征技術，使得人們逐漸打開了材料微觀結構世界的大門。比如，隨著電鏡內(nèi)原位技術的不斷發(fā)展，在電子顯微鏡內(nèi)部引入力、熱、電和磁等外場，實現(xiàn)了物質(zhì)在外場下微結構相應行為的原位實時動態(tài)觀測。這不僅豐富了納米尺度下開展實驗研究的方法，也為直接從原子尺度探索納米材料的生長機制，揭示材料各種外場下特性的物理本質(zhì)提供了可靠的實驗手段。在能源催化領域，精確探測催化劑在服役狀態(tài)下原子尺度結構的動態(tài)變化過程對于催化劑的理性設計具有重要意義，而高亮度和高靈敏的先進同步輻射光源為研究這一亟待突破的問題提供了契機。同步輻射X射線吸收譜是描繪催化中心局域空間和電子結構最強有力的工具之一，能在實際催化環(huán)境中實現(xiàn)固、液和氣態(tài)樣品的原位探測，建立更可信的催化構效關系。

（6）與應用需求結合更加緊密

材料科學屬于應用科學的基礎范疇，與實際應用需求結合緊密。在新材料發(fā)展進程中，工業(yè)整體水平的提升使得某一類材料的關鍵制備加工技術取得突破，反過來又推動該類材料的大規(guī)模應用。這就使得人們建立系統(tǒng)理論和追求更高性能的需求更加迫切，進而牽引了新材料的發(fā)展，推動了產(chǎn)業(yè)的進一步升級。這種模式類似于應用基礎學科的庫恩模式，具有新舊范式轉變引起科技革命的顯著特點。