1.1　新材料研究的发展规律

（1）交叉融合加速创新

新材料研究日益依赖多学科协同创新。多学科交叉、多技术融合快速推进了新材料的研究、新功能的发现和传统材料性能的提升。百年诺贝尔奖，有超过40%获奖者的研究领域属于交叉学科。尤其在20世纪最后25年，95项自然科学奖中，交叉学科领域有45项，占获奖总数的47.4%。在交叉学科领域进行研究或运用交叉学科的技术和方法进行研究并非简单地把不同学科组合起来，而是有深层次的多学科融合，交叉融合的模式包括捆绑式、渗透式和螯合式。许多新材料的产生和发现都源于多学科交叉，所有这些交叉模式都会催生新的学科生长点，也会产生较多的重大成果。

（2）研究模式加快转变

依赖于试错与大量重复的传统材料制备研究方法已经不能满足现代科学发展与技术进步的需要。革新研究范式、发展新的材料制备方法研究、缩短材料从研究到应用的进程成为加速科技进步的关键。美国在2011年6月宣布了“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative，MGI），利用材料设计数据库等，以及通过高通量制备，建立材料成分-显微组织-材料性能-环境参数-服役寿命之间关系，推动新材料的研发、设计、制造和应用发生重大变革，缩短新材料研发周期和大幅降低研发成本，并加快探索发现新材料，实现材料新功能，从而加速新材料的创新过程。2019年，我国国家自然科学基金委员会发布了“功能基元序构的高性能材料基础研究”重大研究计划，提出以功能基元为基本单元，通过空间序构构成具有突破性、颠覆性宏观性能的高性能材料，满足信息、能源等领域和极端服役条件等对材料的特殊性能需求，解决其中的关键科学问题与技术问题，揭示功能基元序构的材料中蕴含的规律，建立相应的理论，发展材料设计的新原理和先进制备技术，逐步实现按需设计变革性和颠覆性新材料的目标，提高我国在材料科学领域的整体创新能力。

（3）全生命周期绿色化，资源高效利用

新材料研究在追求优异性能的同时，必须满足生产和使用过程的绿色、低碳、环境友好的要求。全周期的资源高效利用和生态环境化是新材料基础研究及其产业在资源和环境问题制约下，满足经济可承受性，实现可持续发展的必然选择。世界各国都积极将新材料的发展与社会绿色发展结合，高度重视新材料与资源、环境和能源的协调发展，大力推进与绿色发展密切相关的新材料开发与应用。比如，欧洲提出材料全生命周期技术，对钢铁和水泥等大宗基础材料的能耗、环境载荷要求降低20%以上；对新能源材料和环保节能材料等的研发生产，高度重视从生产到使用全生命周期的低能耗、低成本、清洁化和综合利用等。

（4）发展方向更加多元化

新材料正向着多功能化、微型化、集成化、智能化和复合化等方向并行发展。结构材料在向强度、刚度、韧性、耐高温、耐腐蚀、高弹和高阻尼大幅度提升的方向研发。高性能结构材料不断出现和广泛应用，促进新产品向体积小、重量轻、能耗低、成本低的方向发展。功能材料也在由单一功能向多种功能开发方向发展，并把功能材料与元器件结合起来，实现一体化。智能材料同时具有感知和激励双重功能，如忆阻材料、自修复材料、快速反应形状记忆合金、高灵敏压电陶瓷和磁致伸缩材料等。智能材料往往能够解决传统材料难以解决的技术难题，在重要工程和尖端技术领域具有重要的应用前景。复合化能满足当代高技术中综合性能的要求。把不同种类和不同性能的材料通过一定的途径和技术复合为一体，取长补短，可获得比单一材料性能更好或具有某种特殊性能的结构-功能一体化复合材料。例如，由碳纤维增强的陶瓷基复合材料，已成为航空工业的重要结构材料。

（5）高端设备和先进表征技术的依赖性更强

材料表征和评价科学技术已成为新材料发展的重要基础。新材料的探索需要多维多尺度高通量的表征技术，材料表界面、缺陷和电子结构等先进的原位和非原位表征技术。利用这些高端设备和原位表征技术，使得人们逐渐打开了材料微观结构世界的大门。比如，随着电镜内原位技术的不断发展，在电子显微镜内部引入力、热、电和磁等外场，实现了物质在外场下微结构相应行为的原位实时动态观测。这不仅丰富了纳米尺度下开展实验研究的方法，也为直接从原子尺度探索纳米材料的生长机制，揭示材料各种外场下特性的物理本质提供了可靠的实验手段。在能源催化领域，精确探测催化剂在服役状态下原子尺度结构的动态变化过程对于催化剂的理性设计具有重要意义，而高亮度和高灵敏的先进同步辐射光源为研究这一亟待突破的问题提供了契机。同步辐射X射线吸收谱是描绘催化中心局域空间和电子结构最强有力的工具之一，能在实际催化环境中实现固、液和气态样品的原位探测，建立更可信的催化构效关系。

（6）与应用需求结合更加紧密

材料科学属于应用科学的基础范畴，与实际应用需求结合紧密。在新材料发展进程中，工业整体水平的提升使得某一类材料的关键制备加工技术取得突破，反过来又推动该类材料的大规模应用。这就使得人们建立系统理论和追求更高性能的需求更加迫切，进而牵引了新材料的发展，推动了产业的进一步升级。这种模式类似于应用基础学科的库恩模式，具有新旧范式转变引起科技革命的显著特点。