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成會(huì)明院士:在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的進(jìn)程中,材料科學(xué)仍將創(chuàng)造奇跡

???材料是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的基石。從石器時(shí)代發(fā)展到以鋼鐵為代表的工業(yè)時(shí)代,以及如今以硅等半導(dǎo)體材料及器件為代表的信息時(shí)代,歷史的演進(jìn)無(wú)不伴隨著材料領(lǐng)域的進(jìn)展和突破,關(guān)鍵新材料的出現(xiàn)與應(yīng)用往往是推動(dòng)新技術(shù)革命的直接動(dòng)力。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,新材料推動(dòng)了人工智能、新能源汽車(chē)、高端裝備、生物醫(yī)藥等新興領(lǐng)域的快速發(fā)展,并促進(jìn)著相關(guān)行業(yè)的快速迭代與進(jìn)步,顯著提升了人們的物質(zhì)生活水平。鑒于新材料的


     材料是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的基石。從石器時(shí)代發(fā)展到以鋼鐵為代表的工業(yè)時(shí)代,以及如今以硅等半導(dǎo)體材料及器件為代表的信息時(shí)代,歷史的演進(jìn)無(wú)不伴隨著材料領(lǐng)域的進(jìn)展和突破,關(guān)鍵新材料的出現(xiàn)與應(yīng)用往往是推動(dòng)新技術(shù)革命的直接動(dòng)力。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,新材料推動(dòng)了人工智能、新能源汽車(chē)、高端裝備、生物醫(yī)藥等新興領(lǐng)域的快速發(fā)展,并促進(jìn)著相關(guān)行業(yè)的快速迭代與進(jìn)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(guó)不約而同將新材料作為其主要的發(fā)展目標(biāo)。



▲ 世界各國(guó)的新材料發(fā)展規(guī)劃

新材料發(fā)展的特點(diǎn)

  • 計(jì)算機(jī)科學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,加速新材料的開(kāi)發(fā)速度。傳統(tǒng)材料的研發(fā)與改進(jìn)主要基于經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的積累,以及大量重復(fù)性的“試錯(cuò)法”實(shí)驗(yàn),工作量大且耗時(shí)長(zhǎng),新材料更新迭代速度較慢。統(tǒng)計(jì)顯示,傳統(tǒng)材料從開(kāi)發(fā)到工業(yè)化應(yīng)用一般需要20~30 年之久。面對(duì)新材料產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的現(xiàn)狀,縮短新材料的研發(fā)周期成為當(dāng)務(wù)之急。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與大數(shù)據(jù)的應(yīng)用,通過(guò)建立材料結(jié)構(gòu)和性能的預(yù)測(cè)模型,對(duì)新材料進(jìn)行設(shè)計(jì)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論模型進(jìn)行修正,能夠大幅度縮短新材料的研發(fā)周期。此外,基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和高通量理論計(jì)算結(jié)果,建立材料數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),能夠?yàn)樾虏牧系脑O(shè)計(jì)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

  • 新材料發(fā)展與其他學(xué)科深度融合。結(jié)合先進(jìn)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(duì)未知世界的認(rèn)識(shí)和理解進(jìn)一步加深。簡(jiǎn)而言之,新材料的出現(xiàn)促進(jìn)了物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的發(fā)展與進(jìn)步,而相關(guān)學(xué)科的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步也加速了新材料的研發(fā)進(jìn)程。

  • 新材料的發(fā)展更加注重節(jié)能環(huán)保。能源危機(jī)、環(huán)境污染等問(wèn)題對(duì)人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅,因此,新材料的開(kāi)發(fā)越來(lái)越重視節(jié)能環(huán)保。例如,通過(guò)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(kāi)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(duì)材料研發(fā)和應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行全生命周期的監(jiān)測(cè)和評(píng)估,提高材料的利用效率,也成為重要發(fā)展趨勢(shì)。

  • 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(shí)需要結(jié)合市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)新材料的創(chuàng)新發(fā)展,加強(qiáng)金產(chǎn)學(xué)研用合作,結(jié)合科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)、金融機(jī)構(gòu)、創(chuàng)新企業(yè)以及政府多方的優(yōu)勢(shì),推動(dòng)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(guó),我國(guó)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(kāi)發(fā)與應(yīng)用還明顯落后于發(fā)達(dá)國(guó)家,導(dǎo)致在多個(gè)領(lǐng)域受制于人。幾年前《科技日?qǐng)?bào)》           列舉了制約我國(guó)工業(yè)發(fā)展的35 項(xiàng)“卡脖子”技術(shù),其中27 項(xiàng)與材料密切相關(guān),充分顯示我國(guó)對(duì)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(guó)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(diǎn)發(fā)展先進(jìn)基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料,以提升我國(guó)新材料的自主創(chuàng)新研發(fā)能力,實(shí)現(xiàn)從材料制造大國(guó)向材料研發(fā)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。近年來(lái),我國(guó)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(jìng)爭(zhēng)日益激烈的國(guó)際形勢(shì)下,實(shí)現(xiàn)新材料領(lǐng)域的突破,并通過(guò)成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用助力我國(guó)關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,具有重要戰(zhàn)略意義。

▲ 《科技日?qǐng)?bào)》列出的與材料相關(guān)的“卡脖子”技術(shù)清單

 

   另一方面,社會(huì)快速發(fā)展和人類(lèi)物質(zhì)文明高度發(fā)達(dá)的同時(shí),能源和環(huán)境等問(wèn)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(yán)峻形勢(shì)。與此同時(shí),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(wèn)題,對(duì)人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重威脅。為應(yīng)對(duì)上述全球性的問(wèn)題,世界各國(guó)紛紛采取行動(dòng)。早在1992 年,聯(lián)合國(guó)促成了《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》以應(yīng)對(duì)氣候變化,此后世界各國(guó)又相繼簽訂了《京都議定書(shū)》(1997 年)、《哥本哈根協(xié)議》(2009 年)、《巴黎協(xié)定》(2015 年)等,旨在通過(guò)節(jié)能減排、發(fā)展清潔能源等手段,以最終實(shí)現(xiàn)碳排放與碳吸收的平衡,即碳中和發(fā)展目標(biāo)。



實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)是以習(xí)近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國(guó)內(nèi)國(guó)際兩個(gè)大局后做出的重大戰(zhàn)略決策,是解決我國(guó)當(dāng)前所面臨的資源環(huán)境約束突出問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的必然選擇,這一戰(zhàn)略目標(biāo)也是構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體的莊嚴(yán)承諾,體現(xiàn)了我國(guó)攜手世界各國(guó)一道積極應(yīng)對(duì)全球能源短缺與氣候變化這一艱巨挑戰(zhàn)的堅(jiān)定決心,彰顯了我國(guó)作為大國(guó)的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。


  

   作為能源消費(fèi)大國(guó),中國(guó)積極參與并大力推動(dòng)碳中和。雖然愿景美好,但實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)卻任重道遠(yuǎn)。截至2019 年,化石燃料在我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比仍高達(dá)85%,且我國(guó)石油資源對(duì)外依存度達(dá)到70%以上,原油進(jìn)口超過(guò)5.0 億噸/年,其中80%依賴(lài)海運(yùn),國(guó)家能源安全面臨著巨大壓力。


 

▲ 2019 年我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)

 

   因此,為保障我國(guó)能源安全、實(shí)現(xiàn)碳中和,亟待大力發(fā)展清潔能源科學(xué)與技術(shù),實(shí)現(xiàn)能源的高效生產(chǎn)與利用。我認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo),就要求我們努力實(shí)現(xiàn)五化”,即能源生產(chǎn)低碳化、能源使用電氣化、工業(yè)過(guò)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(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的進(jìn)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(shí)同樣是當(dāng)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(huì)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(shí)踐中的重要支撐作用。本書(shū)定位為新材料與碳中和相關(guān)的通識(shí)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(lèi)社會(huì)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(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略;針對(duì)能源與環(huán)境危機(jī),介紹了世界多國(guó)和地區(qū)的碳中和發(fā)展目標(biāo),并重點(diǎn)探討了現(xiàn)階段我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)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(shí)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(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的進(jìn)程中,材料科學(xué)仍將創(chuàng)造奇跡。碳達(dá)峰、碳中和不僅是中國(guó)的目標(biāo),也是全世界的目標(biāo),實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和任重而道遠(yuǎn)。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(dá)峰、碳中和,并加入到實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的行動(dòng)中,共同推動(dòng)人類(lèi)文明的進(jìn)步!


 


文章轉(zhuǎn)載:DT新材料

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