苏刚:人类社会的发展史就是材料的发展史

2018-08-12 06:02:24  来源: 财经网  编辑:zgjrzk  

中国科学院大学副校长、国家重点研发计划重点专项首席科学家苏刚

  “人类社会的发展时期往往是以材料的发展为标志的,可以说人类社会的发展史就是材料的发展史,材料是制造的基础,先进制造更要充分利用性能优异的新材料才能够实现。材料的合成和应用也是推进科学技术迅速发展的主要原因,新材料的开发对推动新材料的制造、科技发展乃至人类文明进程都是至关重要的。”8月11日,中国科学院大学副校长、国家重点研发计划重点专项首席科学家苏刚在由厚益控股和《财经》杂志联合主办主题为“共享全球智慧引领未来科技”的世界科技创新论坛上如此表示。

  苏刚指出,如何适应人们不断增长的物质和精神的需要,要缩短新材料的研发周期,很快速的把新材料找到,而且降低费用,这就是本世纪材料科学家面临的巨大挑战。幸运的是,信息技术和计算机的发展使得这种探索是可能的,人们可以通过计算机的模拟来实现材料的研发路径,从经验型的探索到可设计、可预测的方向发展。

  一个很重要的例子就是2011年6月美国总统奥巴马提出的材料基因组计划,通过开发快速可靠的计算方法和计算程序,基于元素的基本性质,从元素周期表找几个元素,按照基本性质以及物质结构和承建理论,按照高性能计算机设计模拟和预测相关材料的化学性质,获得预测材料各种参数,然后再开发高通量的实验方法快速的对理论预测进行验证,这样可以构建庞大的数据库,从而大大缩短新材料的研发周期,从而极大降低新材料的研发费用,因为不需要盲人摸象了。

  这种新材料的研发模式,尤其是在新药创制和新能源等等领域发挥非常重要的作用。世界各国都在积极做这样的计划,中国也做了很多项目和工程。

  苏刚表示,未来新材料的研发和工业制造,就像餐馆点菜一样,能够根据人们需要的性能,进行材料和器件的一体化设计,再加上快速发展的3D打印技术,直接从材料设计到一次性成型,把所需要的器件打印出来、制造出来,这可能是未来先进制造的方向。

  以下为发言实录:

  苏刚:谢谢,因为刚才两位诺贝尔奖讲的跟材料都有关系,第一位的Dan Shechtman:教授讲的是种金获得的诺贝尔化学奖,是非常重要的发现。第二位获得者F.Duncan M.Haldane教授是讲的拓扑材料,从凝聚态物理尤其是量子物理引申发展的,现在拓扑材料对未来的量子计算,尤其是拓扑量子计算有很重要的应用。

  我们这个部分的主题是新材料先进制造的新引擎,我的发言主题是说因为先进制造需要材料,材料从哪来?新材料从哪找到?所以这是一个非常艰巨的任务。我的发言的主题是说新材料从经验探索到可预测的设计。

  大家知道,材料是构建我们社会发展的物质基础,从最初的从天然材料的远古时代,到后来用火,制造青铜器和铁器的时代,我们有了很多的文明,再逐步利用物理、化学的原理人工制造材料,到了工业革命时期,这里面高分子材料和复合材料等等,再到今天的信息时代和大数据时代,这样的话在这个时代人类可以利用先进的计算机技术,结合量子力学的原理计算、设计、预测材料的性能,这些都表明人类社会的发展时期往往是以材料的发展为标志的,可以说人类社会的发展史就是材料的发展史,材料是制造的基础,先进制造更要充分利用性能优异的新材料才能够实现。另一方面,材料的合成和应用也是推进科学技术迅速发展的主要原因,新材料的开发对推动新材料的制造、科技发展乃至人类文明进程都是至关重要的。

  说到新材料的研发,常规的材料研发大多是通过知觉或者是经验的探索,或者是偶然的因素实现的,无论是从天然材料的提纯到合成材料,还是从单一材料到复合材料,人们经验从中起到很重要的作用。新材料从最初发展到最终大规模应用需要10-20年,甚至更长的时间。刚才Dan Shechtman教授也讲到铁里面加了碳,还有铝里面加了铜,运用到工业时间很长。如何适应人们不断增长的物质和精神的需要,要缩短新材料的研发周期,我们能够很快速的把新材料找到,而且降低费用,这就是本世纪材料科学家面临的巨大挑战。但是幸运的是,我们信息技术和计算机的发展使得这种探索是可能的,人们可以通过计算机的模拟来实现材料的研发路径,从经验型的探索到可设计、可预测的方向发展。这里面有个很重要的例子,2011年6月份,奥巴马总统提出来一个材料基因组的计划,这个计划实际上是为了将能源、交通和安全的材料等领域先进材料的研发时间和研发费用减半,基本的思路是这样的,材料基因组工程的思路是这样的,通过开发快速可靠的计算方法和计算程序,基于元素的基本性质,从元素周期表找几个元素,按照基本性质以及物质结构和承建理论,按照高性能计算机设计模拟和预测相关材料的化学性质,获得预测材料各种参数,然后再开发高通量的实验方法快速的对理论预测进行验证,这样可以构建庞大的数据库,从而大大缩短新材料的研发周期,从而极大降低新材料的研发费用,因为不需要盲人摸象了。

  这种新材料的研发模式,尤其是在新药创制和新能源等等领域发挥非常重要的作用。由于这样的计划,世界各国都在积极的做,中国也做了很多的项目和工程。最近几年使得计算材料科学的发展方兴未艾,从新材料的结构设计与预测,计算方法与计算程序的方法,特别是机器学习和人工智能技术的材料搜索方法,到实际材料的合成及表征的验证,以及建立与大数据的共享等等,这些都为新材料的筛选和研发奠定必要的理论基础。现在大家从网上看到很多材料的库,包括中国有很多新材料的库,使新材料的研发从经验的探索到可设计、可预测的方向发展。

  这里要强调一点,理论设计和预测都是在理想的条件下,基于物理与化学原理,经过大规模预算得到的。设计材料也是这样的一个方式,理论设计可能跟实验制造在参数和性能上也许存在一定的差距,这样的探索是值得的,是为前期海量的可能性中快速筛选出合适的,少数的材料指出了方向,哪些结构是可以的,可以去试,哪些结构不可以,你不用去试了,这样大大缩短了新材料的探索周期,降低了费用。所以我们可以大胆的设想一下,在未来新材料的研发和工业制造,能够根据人们进行的需要的性能,就跟餐馆点菜一样,根据性能进行材料和器件的一体化设计,再加上快速发展的3D打印技术,直接从材料设计到一次性成型,把所需要的器件打印出来、制造出来,这个可能是未来先进制造的方向。我的发言就到这里,谢谢。


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