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材料科學有望成為未來十年最重要的技術
時間:2019-03-14 瀏覽量:9291
  想想我們在未來十年將面臨的任何重大挑戰,材料就是其中的核心最大的挑戰。為了建設一個新清潔能源的未來,我們需要更高效的太陽能電池板、風力渦輪機和電池。制造商需要新材料來制造更先進的產品。我們還需要更換供應中斷的材料,比如稀土元素。

傳統上,開發新材料是一個緩慢而艱難的過程。為了找到理想的特性,研究人員通常需要逐個測試數百甚至數千種材料。這使得材料研究對大多數行業來說都代價過高。

然而今天,我們正處于一場材料革命之中。科學家們正在使用強大的模擬技術,以及復雜的機器學習算法,以驚人的速度推進創新,甚至將創新引向他們從未考慮過的可能性。未來十年,材料的快速發展將產生巨大的影響。

什么是材料科學?

根據維基百科的定義:

材料科學,又名為材料工程,涉及物質的性質及其在各個科學和工程學領域的整合應用,是一個研究材料的制備或加工工藝、材料的微觀結構與材料宏觀性能三者之間的相互關系的跨領域學科。

涉及的理論包括固體物理學,材料化學,應用物理和化學,以及化學工程,機械工程,土木工程和電機工程。與電子工程結合,則衍生出電子材料,與機械結合則衍生出結構材料,與生物學結合則衍生出生物材料等等。

隨著近年來媒體將注意力大量集中在納米科學上,材料科學在科學與工程學領域越來越廣為人知。它也是鑒識科學和破壞分析中的一個重要組成部分,以后者為例,它是分析各種飛航意外的關鍵。今日許多科技上的問題受限于材料能夠容許的極限,也因此,在此領域的突破在未來科技具有指標性的影響。材料科學有著廣泛的應用前景。

隨著科學技術的發展,人們在傳統材料的基礎上,根據現代科技的研究成果,開發出新材料。新材料按材質可分為金屬材料、無機非金屬材料(如陶瓷、砷化鎵半導體等)、高分子材料、先進復合材料四大類,其應用范圍極其廣泛。目前,新材料產業已經滲透到了國民經濟、國防建設和社會生活的各個領域,是高新技術產業發展的基礎,對國民經濟發展作用重大。

材料革命的萌芽

2005年,Gerd Ceder是麻省理工學院材料科學教授,研究預測新材料的計算方法。傳統上,材料科學家主要通過反復試驗來確定具有商業價值特性的材料。Gerd正在使用復雜的模擬材料實體的計算機模型來實現這一過程的自動化。

事情發生了轉變!當時寶潔公司(Procter & Gamble)旗下金霸王(Duracell)的一名高管詢問Ceder,是否可以利用他正在開發的方法,探索大規模開發堿性電池新材料的可能性。于是,他組建了一個由六名“青年槍手”組成的團隊,成立了一家公司來實現這一愿景。

第一個項目進展順利,團隊獲得了一些以前不存在的新材料的專利。然后另一家公司來電,請求幫忙開發另一個項目,在那之后接獲了更多的項目。盡管取得了初步的成功,但Ceder開始意識到有一個問題:盡管團隊的項目很成功,但是總體影響是有限的。

Ceder 說:“我們開始意識到,我們生成所有這些有價值的數據都被所在公司的保險庫里,并未產生它應有的價值。我們想以一種更公開的方式來來推進材料的發展。幸運的是,就在那個時候,一個團隊成員因為家庭原因離開了麻省理工學院,這個偶然的事件將這個項目推向了一個新的高度。”

材料工程的誕生

2008年,Kristin Persson的丈夫在加州找到了一份工作,于是她離開了Ceder的麻省理工學院小組,加入勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBL),成為一名研究科學家。然而,該團隊并沒有為失去一位重要同事而感到悲痛,而是將此舉視為一個讓他們的工作進入高速運轉狀態的機會。

Persson表示:“在勞倫斯伯克利國家實驗室,有世界級的計算機人才。所以我們開始積極地與計算機科學前沿的專家合作,但他們對材料和我們這幫材料黑客一無所知。正是這種跨學科的合作才是幫助我們迅速取得進展的真正秘訣。”

傳統的材料科學可以將一類合金應用于,比如說,汽車工業,并計算重量vs抗拉強度之間的關系。文獻中可能有幾百種這樣的材料。但是有了他們在勞倫斯伯克利國家實驗室建立的系統,他們可以計算出幾千這樣的材料。這意味著工程師能夠以指數級的速度識別候選材料,并在現實世界中進行測試,從而創造出更佳的產品。

他們又一次感到他們的工作的影響是有限的。畢竟,在國家實驗室工作的私營企業工程師并不多。Persson回憶說:“我們早期的研究讓我們相信,我們正處在一個更大的問題的風口浪尖。”這就是他們為什么要創建材料項目(Materials Project),一個世界上任何人都可以訪問的大型在線數據庫。

大規模的材料計劃

該項目于2011年初上線,吸引了數千人參與。從那時起,它如病毒傳播般發展迅猛,如今擁有5萬多名用戶,這個數字以每天50-100人的速度增長。然而,它的影響不僅如此。該項目的成功引起了時任白宮科技政策辦公室(White House Office of Science and Technology Policy)副主任的Tom Kalil的注意,他看到了創建一個范圍更廣項目的潛力。

2011年夏天,奧巴馬政府宣布了“材料基因組計劃”(Materials Genome Initiative, 簡稱MGI),以協調能源部、NASA、能源部和其他機構的工作,從而擴大和補充勞倫斯伯克利國家實驗室正在進行的工作。這些努力加在一起,正在材料科學中掀起一場革命,而私營工業剛剛開始感受到其影響。

“材料基因組計劃”基于三個基本支柱。第一個是可以準確預測材料性質的計算方法,與Gerd Ceder的團隊所開創的方法一般。二是擴大材料庫的高生產能力實驗,三是挖掘科學文獻中已有材料,促進材料數據共享的項目。

例如,一個項目使用機器學習算法和實驗材料數據來識別一種叫做金屬玻璃的超強合金的形狀。盡管科學家們早就認識到它作為鋼的替代品和保護涂層的價值,但它非常罕見,因此公眾所知相對較少。然而,使用這些新方法,研究人員能夠在一年之內完成較之前200倍負荷的工作,并識別出2萬個這樣的材料!

一場真正的材料革命拉開序幕

托馬斯·愛迪生有句名言:如果他做了1萬個失敗的實驗,他并不認為這是一種失敗,而是發現了1萬個不起作用的東西。確實如此,但它也帶來乏味、耗時和昂貴的代價。然而,這些新方法有可能將這1萬次失敗自動化,從而在材料科學領域掀起一場革命。

例如,在美國政府創建下一代先進電池的“聯合儲能研究中心(簡稱為JCESR)”的背景下,目前的主要挑戰與其說是識別潛在的電池化學成分,還不如說是讓這些化學成分發揮作用的材料還不存在。對于過去來說,這將是一個無法克服的問題,但現在情況大為不同。

JCESR主任George Crabtree接受采訪時表示:“使用過去10年左右開發的高性能計算模擬、材料基因組和其他技術,我們通常可以消除99%的行不通的可能性。這意味著我們可以把精力集中在剩下的1%可能有巨大潛力的材料上,我們可以以少得多的錢,走得更遠、更快。”

這項工作也迅速對工業界產生了影響。Citrine Informatics是一家將機器學習應用于材料開發的公司,該公司的總裁Greg Mulholland表示:“我們看到越來越多的公司和行業在與我們聯系,并產生了一種新的緊迫感。對于歷史上投資于材料研究的公司來說,他們昨天還在發愁。而對于那些沒有做到這一點的人來說,他們正在奮力追趕。”

材料基因組計劃的主任Jim Warren認為,這僅僅是個開始。他說:“當你能以幾十萬美元或幾百萬美元而不是幾千萬美元或幾億美元發現新材料時,你將看到大量擴展的用例以及行業的受益。”

正如我們從數字革命中學到的,只要效率提高10倍,最終就會產生革命性的商業影響。

中國材料新行業發展前景廣闊

新材料產業涉及多個工業領域,產品市場前景廣闊,是全球最重要、發展最快的高技術產業領域之一。新材料行業市場發展現狀分析,我國作為全球最大的新興經濟體,新材料產業正處于強勁發展階段,市場空間廣闊。據前瞻產業研究院發布的《中國新材料行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》統計數據顯示,2010年我國新材料產業總產值僅僅為0.6萬億元,截止至2017年我國新材料產業總產值增長至2.6萬億元。新材料“十三五”規劃和中國制造2025等政策將繼續推動新材料產業保持快速的發展趨勢,十三五”期間我國新材料產業將穩步增長,年均增速保持在25%左右,預計到2020年,我國新材料產業總產值將超過6萬億元。

目前,我國政府正鼓勵、支持社會資本參與新材料產業發展。在政策指引下,新材料領域投資規模大幅增長,行業投資額從2013年的17.5億元人民幣,增長至2017年的125.7億元人民幣,5年增長6倍多,年均增長率達到48.4%;投資數量也從2013年的72起提高至129起。


    來源:湖北省科技金融服務平臺

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