材料科学大热门，中国科学家蓄势待发 | 聚焦材料中国
原文作者：Sarah O'Meara
一系列精心设计的研发项目以及经费的增加使广大研究人员大为受益。
当张达威办完赴美学生签证续签时，已经来不及了。当时，这位29岁的材料科学家已经携妻儿回到了中国，成了北京科技大学的一名博士后——北京科技大学的新材料技术研究院在全国名列前茅。续签延误促使张达威接受了一份国内职位，而没有继续留在美国从事自修复材料研究。
回头看，张达威才意识到当初回国的决定是正确的。6年后，他在材料腐蚀方面的研究被纳入了一个10亿元的国家项目——材料基因工程（Materials Genome Engineering，MGE），该工程旨在提高中国新材料研发的速度和效率。
去年成都的一个展览会上展出了一款柔性屏手机。
来源：Wang Xiao/Chengdu Economic Daily/VCG/Getty
过去十年来，此类大型科学项目在中国越来越多，为相关国家计划提供了关键支撑。中国政府计划让中国成为高科技经济体，能够并跑甚至领跑全球领先的科学大国。
材料基因工程于2016年正式启动，旨在对标美国的“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative，MGI）——美国联邦政府对该计划投资2.5亿美元，希望能将先进材料科学转化为产业应用。取名的用意在于呼应生物学领域的一些超级项目，如人类基因组计划（Human Genome Project）。中国政府的政策制定者希望更好地利用国家数据库内储存的材料行为相关信息，推进新材料的开发。
但是，研究人员仍处于摸索阶段。张达威的团队连理解数据科学家的方法都有困难，对此他表示，这是全球都面临的一个普遍问题。
“我们在为材料基因工程准备计划书时，就意识到了这个问题，但直到我们真正开始做的时候，我才发现这将是个长期问题。”
张达威表示，实验室的学生经常做得比资深教授更好。“他们私底下有更多时间去钻研一些新想法。”
张达威说，材料基因工程的最终目标是开发出一个中心化智能数据挖掘软件平台，可以让汽车制造、炼钢和造船一类的企业获得有关材料行为的即时反馈。
在北京新材料技术研究院的实验室里，张达威的团队是一支交叉学科队伍，有些成员主要关注材料基因工程（见“硬数据”），其他成员则负责基础研究。数据科学家会帮他处理数据库里的信息，协助创建新的材料模型；而生物学家则会关注微生物对腐蚀的影响。此外，他所在的研究院还会邀请美国和欧洲的客座教授来访。
硬数据
二十世纪八十年代：中国高校与研究院所在中央政府的财政支持下，建立了 23个小规模材料数据库，但数据库的使用和更新非常缓慢。
2000年：中国18个研究所联合建立了两个国家级材料数据库，首次提出以标准化格式进行材料收集和录入。（见http:// www.materdata.cn）。
2016年：中国的政策制定者投资材料基因工程项目的数据库和大数据技术开发，以对标美国前总统奥巴马在2011年启动的材料基因组计划。
中国科学家认为，要做出杰出的科研成果，需要有多元化、跨学科的研究团队，而这正是一般实验室所缺少的。张达威说：“中美两国各自的材料基因组计划拥有共同的目标，那就是以更快的速度和更少的费用产出更好的材料。与国外科学家合作非常重要，因为材料基因组是个全新的领域。我们需要一起找到最优路径。”
经费充裕
自2008年以来，中国的材料科学经费投入已经增加了三倍，材料科学也是国家自然科学基金的第二大资助学科，仅次于医学（见“中国增拨材料经费”），这让中国材料科学的研究规模水涨船高。Web of Science的统计数据显示，材料科学论文数量在2006年到2017年期间增加了两倍有余，达到4万篇左右（见“巨大进步”）。2015年，中国研究者发表的所有论文中，约九分之一为材料学论文。
来源：国家自然科学基金
2006年至今，在一项国家计划的指导下，中国的科学研发经费主要用于在2020年前提高中国的创新水平。这项计划包括一系列宏伟的研发项目，比如探月工程以及首架自主设计的客机。制定这些目标是为了推动实现技术突破，增强国家的经济前景，而材料科学对于实现这些目标具有非常重要的作用。
2018年，国家自然科学基金总共资助了701个重点项目，总计金额超过20亿元，包括材料基因工程以及纳米技术和先进电子材料方面的研究。同年，科技部对6个重点专项的支持经费超16亿元，其中包括纳米技术。
如今，中国在23个具有鲜明技术应用的领域发表的高质量研究论文超过了世界上任何其他国家，这些领域包括电池、半导体、新材料和生物技术。11月，由清华大学博士毕业生于2014年创建的清陶发展宣布，公司已研发出全国首个固态电池生产线。
来源：Web of Science
随着中国的影响力日益提升，从中国科学家可以获得的资源来看，他们是否取得了应有的成绩，还无法确定。John Plummer曾是《自然-材料》驻上海的高级编辑，现在是自然合作期刊高级责任编辑，他认为中国在某些材料科学领域已经走在了前列，如纳米材料、凝聚态物理和结构材料，但在整体材料研究方面尚无法与美国或欧洲相比。
南京大学纳米材料科学家朱嘉说：“我们需要去推动原创的想法。美国科学家在开辟一个新项目或研究方向时，不会人云亦云地说‘别人在做什么，我们也应该做什么’。但在中国，我们仍在以他人为参照。”
冒险一试？
2014年，地球物理学家毛河光开始在美国卡耐基研究所和上海两地之间辗转。在美国工作了50年后，毛河光希望能帮助中国政府官员解决中国最迫切的研发问题之一。“他们问我：‘如何才能提高基础研究的质量，而不仅仅是数量？’ 。”
毛河光主要研究材料如何应对极端压力。他让政府官员给他出资建立一个实验室，用来产出“真正颠覆性的研究成果”。他解释道，实验室可能无法立刻产生突破，但他能保证从世界各地招来和他一样有产出潜力的科学家——毛河光的产量是不证自明的：在他的职业生涯中，他在《自然》和《科学》上相继发表了65篇论文。
中国科学院是中国最大的科学机构和政策制定顾问机构。2008年，在中科院与国家自然基金举办的一次活动中，毛河光说：“给我钱，我就能给你科学家。”毛河光1996年当选为中国科学院外籍院士。政府官员给了他要的钱，2013年，高压科学研究中心（HPSTAR）成立，并在上海和北京建立了分中心。毛河光实验室的经费并非来自科技部，而是由财政部直接划拨。
毛河光说他吸引到了来自加拿大、埃及、德国、日本、俄罗斯、英国和美国的科学家。“中国的体制在支持基础研究方面不够高效。我有幸能让科学家完全自由地以自己的方式开展颠覆性研究，并从最大程度上减少外部监管和评审评估。政府当然关注我们的进展，但是以一种非常低调的方式。”
毛河光申请经费的全新方法，成功移除了创新性材料研究面前的一个主要结构性障碍。从事储能方法研究的中科院福建物质结构研究所化学家温珍海表示，在中国，科研人员获得的经费数量主要取决于他们在高质量期刊上的发文数量。“初级研究人员必须要扛住激烈的经费竞争，这让我们不得不蹭一些热门的研究领域，即使那意味着我们的研究可能并无创新性，可能与他人的研究会重复。”
毛河光坚信，没有束缚的科学家才能做出好成绩。能有机会放手去做在一定程度上促使物理学家Philip Dalladay-Simpson决定申请来上海实验室研究极高压下的分子系统响应。2010年，Philip Dalladay-Simpson从伦敦玛丽女王大学毕业，随后开始研究氢对极端环境的响应，并在2016年从英国爱丁堡大学博士毕业，正逢高压科学研究中心也开始招贤纳士。
Dalladay-Simpson说：“能有机会为一所有理想的新研究所出力，能在那里自由探索我所感兴趣的领域，这让我最初有点不知所措，因为我对自己的事业发展从没有过这种期待。”
毛河光团队利用的上海同步辐射光源是中国筹建的一系列大型研究项目之一，已于2009年投入使用，总投资达12亿元。在这里，高压科学研究中心的科学家使用X射线详细了解材料在压力条件下的行为。毛河光说：“我们团队至少每个月都要用到该设施，所以我们索性在附近租了实验室。“
一名工程师正在东莞的散裂中子源国家实验室调试设备；科学家可以使用这类加速器和上海同步辐射光源研究材料的行为。
来源：Xinhua/Alamy
重任在肩
中国计划在2049年，也就是中华人民共和国成立100年之际，成为世界科技强国。对于工程师陈光来说，他每天都能感受到这一宏伟目标所带来的压力。
中国希望建造自己的大飞机。目前，国产商用飞机使用的全是进口发动机。因此，当南京理工大学的陈光在2016发表了一篇关于可用于制造飞机发动机的新合金论文(G. Chen et al. Nature Mater. 15, 876–881; 2016)后，顷刻之间，无数研究经费朝他涌来。
2017年，陈光获得了一笔总额300万元的主要研究经费，是一般国家自然科学基金经费的5倍。此外，他还获得了两笔60万元的经费。虽然能得到需要的支持让陈光很欣慰，但他清楚，如果经费用完时还看不到成果，就会产生严重后果。他说：“这会影响到我本人的科学声望和今后的项目申请。”
陈光在这一领域深耕20年有余，但他预计商业化还需要再等10年。来自南方科技大学的化学家蒋兴宇表示，这种速度并没有赶上政府或整个行业对研发人员的期待。
“如果你在基础研究领域有很高的产出，大家会期待你能产出同样高水准的产品——这是许多政府官员和民间资助者的真实想法。但是，我们今天所用的产品很多都是基于20年或30年前的研究成果，”他说，“在中国，愿意进行必要的研发投资，将产品推向市场的大型企业并不多。”
对于中国的科学家来说，实验室通往高科技生产线的道路并不顺畅。政府和企业都缺乏技术商业化的经验，科研人员在没有基础设施和专业知识支持的情况下，难以满足如此高的期待。
温珍海在威斯康星大学麦迪逊分校完成电化学能转化与存储的博士后研究后，于2014年回国。回国以后，温珍海积极与企业开展合作，受邀会见当地政府官员，共同探讨如何将他在蓄电池和燃料电池方面的研究成果转化为商业应用。
他们曾提出要支持我成立一家公司，或替我与一家本地公司牵线搭桥。不过，温珍海对这背后的困难非常警惕。“创立一家公司不难，但是我曾见过许多公司由于缺乏大规模生产经验、管理不善、市场需求不足而倒闭。”
为了引导科学家创业，政府出台了一系列激励措施，如给予科学家初创企业的股权并让他们少做研究多做开发，然而，整个大环境仍然非常残酷。
温珍海认为需要进一步增进研究团队与制造企业之间的相互理解，他说：“实验室内的新材料开发通常没有充分考虑市场需求，因此难以获得来自企业的经费支持。”
纳米材料蓄势待发
当英国曼彻斯特大学的科学家分离出石墨烯，并因此荣获2010年诺贝尔物理学奖时，这一发明被认为将改变整个电子学领域。然而，这一轻薄柔软、强度高、导电性好的纳米材料并未达到人们最初的预期，如果它的潜力可以完全兑现， 中国已经准备好乘势而上。
中国很早就发现纳米科学发现可以带动国内科学、技术和经济的发展。2003年，中科院与教育部成立了国家纳米科学中心；如今，政府统计数字显示，中国拥有全球最多的石墨烯企业——近3000家。此外，中国占全球石墨烯产量的三分之二左右。
化学家萧晓月表示，问题在于，这类石墨烯生产企业多为中小型企业，除非它们能找到一个可持续的商业模式，否则长期运营将难以为继。
2013年，萧晓月与中国国际技术转移中心的材料工程师李义春有了一个想法，他们想让这些企业联合起来共同成长。萧晓月说：“好的一面是有很多从事石墨烯或石墨烯相关技术的小型企业；坏的一面是，很多企业都难以维持下去。”
同一年，萧晓月和李义春共同发起了中国石墨烯产业技术创新战略联盟，尝试通过推动产学研合作，改变这一现状。萧晓月表示：“投资人投了很多钱，但很快就感到不满，因为这些公司无法研发出可以销售的产品。”
总部位于美国加州的天奈科技（Cnano Technology）将清华大学化学工程师2001年开发的技术用于碳纳米管和石墨烯的批量生产，年营收超5000万美元。天奈科技的毛鸥有着20年的产业研发经验，他说公司确保产品对接市场需求：“我们知道，碳纳米管在各个行业都有应用潜力，但让行业接受这些新材料需要很长的时间，无论是在技术还是监管层面，都是如此。因此，在选择目标市场和应用时，我们要精挑细选。”
中国石墨烯产业技术创新战略联盟会将石墨烯相关项目按发展阶段分类：实验室阶段、试点阶段和商品化阶段。每一阶段的项目会收到不同程度的支持。联盟会对实验室项目进行追踪，并在成熟时进行孵化；对于试点阶段的项目，联盟会帮助融资；商品化阶段，联盟会邀请项目团队向潜在投资人和政府代表进行商品展示。联盟每年的运营预算为800万元。
萧晓月在谈及领域进展时，以柔性显示屏作为成功的产品研发案例：“我们有三个成员，重庆墨希科技有限公司、无锡市电子仪表工业和常州二维碳素科技，三家公司都能工业化生产石墨烯柔性屏，目前正在与国内知名电子设备制造商洽谈合作。”
联盟的下一步是要解决行业的最大问题之一，萧晓月称之为“石墨烯产品质量的全不可控性”。2016年，他协助发起了中国国际石墨烯资源产业联盟，该联盟正在制定国内首部相关标准。此外，他正在与国际电工委员会等国际组织探讨如何减少技术性贸易壁垒以及如何突破共同研发的障碍。
萧晓月说：“我们正在组建国际标准评估委员会。我认为这有助于加速实验室向产业的技术转移。”他还说，中国的材料科学现在最需要的是增加在全球科学界的曝光率。“我们需要形成国际团队来开展研究。我们不能闷头做事，要让别人知道我们在做什么。”
原文以Materials science is helping to transform China into a high-tech economy为标题
发布在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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