谁赢得新材料 就赢得产业革命新未来

2021-04-08 编辑:admin 来源:网络整理

材料科学是工业的基础和支柱,材料创新引领变革、重塑世界。

3月28日,备受关注的材料科学姑苏实验室在战略规划研讨会上,现场发布实验室建设进展报告,29个重点项目集体展示,18名院士为首的相关专家团队进行现场评审。

自去年6月揭牌成立,致力于争创“顶级平台”国家实验室的姑苏实验室被寄予厚望。“很多卡脖子技术,一半以上都受制于材料本身及其制备工艺。”现场专家表示,材料产业在国家战略中至关重要。谁赢得新材料,谁就赢得了产业革命新未来。既要敢于向上“捅破”材料科学的“天花板”,也要擅于向下“扎牢”国民经济主战场的根基,从关键技术突破、重点产业布局到体制机制创新,都必须扎扎实实地探索。

人工智能赋能,

“海选”上亿材料组合不再是天方夜谭

材料有多重要?被称为“产业粮食”,支撑高科技的迅速发展,小到家居用品,大到国际空间站,都少不了新材料的研发。过去,科学家在实验室中不断探索材料科学,灯丝材料钨就经历了几千次的实验,新材料的开发更似“海里捞针”,即便是顶尖材料科学家,要成功有时候还需要点运气。

“简单总结材料科学的三个基本特点,其实和围棋、蛋白质折叠这些问题很相似,第一底层规则清晰,第二衍化复杂,第三可能的数据量极其宏大。”材料大数据项目负责人陈忻表示,材料科学的底层规则是量子力学,大多数情况下,量子力学另加几个物理常数,理应决定了所有的材料的结构和性能的问题。“但事实上,除了极少数简单体系外,我们很难对复杂材料体系做出有效的预测。”陈忻告诉记者,用传统的穷举、试错的方法,涉及的是上万、甚至上亿级别的组合。

近年来国际形势的发展及市场的需要都给我国材料科学的研发提出了全新的挑战。“材料研发亟需探索新的范式,就在十几年前,很多人认为围棋、蛋白质折叠等都是短期内无法解决的问题。随着人工智能近年来的快速发展,这些历史上的难题最近都被逐一攻破了。”陈忻告诉记者,用人工智能、大数据赋能材料设计,“海选”上亿级别的材料组合不再是天方夜谭。

“材料研发的数字化是时代的趋势,美国白宫于2011年提出了材料基因组计划,并将其上升到国家战略的层级,虽然这个计划的提出已经有将近10年了,但今天看起来它仍然具有很强的前瞻性。”陈忻说,项目计划在姑苏实验室建立一个大规模的材料科学数据库,以这个数据库为基础,开发和利用人工智能的算法,来发现并总结出各类不同材料体系的结构性质性能之间的构效关系,从而对变化莫测的材料性能实现预判,目前准确率可以达到95%,在遥远的将来,目标是让AI媲美顶尖材料科学家。

“我们的项目实际上是探索一种数据驱动的材料开发新范式,即基于材料大数据寻找新材料设计方案。”材料大数据项目科学家江俊告诉记者,这种范式从原理上来说适用于所有材料开发,不过目前该项目主要集中在半导体、合金材料、化合物的逆向合成这三个领域,通过大数据、人工智能分析海量材料数据,帮助相关企业找到解决问题的方案,打通材料开发的瓶颈。

10多年前一次日本之行,令江俊意识到数据积累的重要性。“我们去参观日本的一个企业重点实验室,发现里面有好多我们中文的科学期刊和杂志。我当时觉得很意外,因为那时候我们材料科学的起点还比较低,大家都倾向于多学习欧美的先进资料。对方就说,欧美学术顶刊的内容确实都是前沿,但是缺乏细致的全貌。而中国的科研队伍比较庞大,也善于跟随国际上出现的前沿新材料,做很多细致的细节的研究,他们把这些数据拿过来,就能拼凑出某种新材料各个侧面、各种组分、各类条件下研究的全貌,能够基于这些数据找到更好的筛选设计方案。”

受此启发,江俊意识到材料数据对产业的支撑作用,也开始进行材料数据的挖掘和积累工作。2016年前后,随着国际形势变化,很多企业在创新自己的新材料时被卡了脖子,“那时候他们还能买到很好的设备,还能请到一流的科学家和工程师回国来做事情,但是国外的数据是从来拿不到的,因为这是国外企业最核心的创新源头。”没有数据就摸索不到科学规律,江俊更坚定了积累、挖掘数据的信念,“我们必须要积累自己的数据,科学文献以及公开发布的专利、在实验室里标准化的高通量数据测量、高精度的计算机模拟等,这都是我们的数据来源。而运用大数据、人工智能技术能够从海量的、复杂的、不完善的、甚至是存在错误的数据里面找到一些规律,获得有效数据。”

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截至目前,姑苏实验室的数据库储存了约9000万余化合物的基本信息,也取得了一些令人惊喜的研究成果。“比如我们在开发一个用于变形机翼的记忆金属材料,希望在长时间使用后能保持一定记忆功能,我们在模拟近万种组成成分后,发现其中有10多种是具有比较优秀性质的。”陈忻告诉记者,筛选过程中的重点不仅是找到这十几种材料,更核心的功能是找到一种数学映射关系,可以在上亿级别的可能中去寻找适合性能的材料。陈忻充满信心地表示,“在前期的工作基础上,我们有信心取得一系列的成果,力争让姑苏实验室成为全国性的材料数据的出入口,为全国的科研和企业的研发单位提供全新的工具。”

新材料原始创新一旦突破,

有望打破行业“天花板”

各行各业的快速发展对新材料研发和应用提出了挑战和需求,针对产业瓶颈,科技自主创新尤为重要。研发应用好新材料,将有望突破技术“天花板”,赋能各行各业高速发展。

“未来,LED将会用于AR/VR眼镜、手机投影、自动驾驶等,需要做得非常小,才能满足越来越高的分辨率的要求。”项目顾问专家王新强教授告诉记者,蓝绿红三基色微型LED自发光显示,是实现全彩LED超清显示的核心技术路线之一,目前,各国均大力攻关全彩微型LED在芯片制作、规模化转移等领域的技术瓶颈,以满足先进显示产业的迫切需求。

“现在的全彩微型LED显示技术是基于蓝绿红三基色,蓝光绿光用的是铟镓氮材料,即第三代半导体,红光用的是铝镓铟磷材料,即第二代半导体。”王新强教授说,准确无误地将数以百万计、不同材料的三基色微型LED芯片集成在同一基板上十分困难,而且微型LED的封装工艺通常使用的是倒装芯片结构,但铝镓铟磷红光微型LED的芯片工艺比氮化物微型LED要复杂很多,所以他们探索用铟镓氮材料替换铝镓铟磷材料来制备红光微型LED。“把红光也换成第三代半导体,这样整个工艺就统一了,从而可以做得更小。当然,氮化物红光LED制备是一个世界性的难题,更偏基础研究。但是如果能够实现,就是一个原创性的自主创新突破,对我国整个显示行业的发展具有重大意义。”

DNA测序技术作为人类探索生命密码的重要手段之一,对生物学、生命科学、医学等领域的发展起到了巨大的推动作用。经过数十年发展,第四代DNA测序技术——固态纳米孔测序技术,正被行业寄予厚望。

“固态纳米孔实际上是一种半导体材料,是目前DNA测序领域的高端材料,具有低成本、长读长、高准确率等优势,它不需要对DNA进行生物或化学处理,而采用物理办法直接读出DNA序列。”苏州罗岛纳米科技有限公司技术总监胡岚说,他们这次攻关的项目就是“应用于测序的固态纳米孔芯片”,公司创始人凌新生博士已在该领域研究近20年,基本上解决了科学问题,“材料已经研发出来了,现在要开展应用,从科学原理到技术应用还需要一个很长的过程。”

胡岚认为,生物学的发展也需要研发新材料,因为材料决定了技术路线及其先进性。“四代测序要用到半导体材料,这将成为我们行业技术的一个门槛。”目前被广泛使用的二代测序仪,市场主要被Illumina等国外大企业垄断,同时,受限于目前测序技术的成本以及数据的质量,现在DNA测序60%还是应用于科研领域,商业化应用很少。固态纳米孔测序技术一旦有所突破,就可以更广泛地应用于临床,比如癌症伴随诊断等。

胡岚告诉记者,项目目前还处于早期研发阶段,已经具备固态纳米孔从芯片设计、加工到制孔的小规模量产能力,预期未来2-3年可推出固态纳米孔测序样机,能够实现连续测序。“更远一点的目标,是用固态纳米孔生产出我们自己的DNA测序仪,目前世界上还没有人做成功,所以这是从0到1的探索。如果我们成功了,对DNA测序领域将会是一个巨大的突破。”

在姑苏实验室立项的29个项目中,唯一的能源环境项目瞄准的是材料领域的痛点。“随着越来越多的电动汽车投入市场,废旧电池的处理成为难题。2020年和2019年中国分别组装了136万辆和120万辆电动车,估算5-7年后这批报废的车辆会产生60万—80万吨的电池。”博萃循环科技有限公司总经理、教授级高工、全国废弃化学品处置标委会委员林晓告诉记者,数量庞大的退役电池,将成为环境和安全的重大隐患。

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林晓所在的企业所生产的设备,将退役电池放入自动化设备,经过系列工序做成新的电池级材料,电池金属回收率能达到90%以上。林晓表示,由于电池设计标准不一,拆解难度大,目前退役电池回收成本不低,“电池材料每年都不同,如何去适应不断变化的退役电池的材料体系,将五年前的材料做成新的电池材料,实际上要完成材料跨时代的提升。”林晓说,这个难度比做全新的电池材料更大。

“我们与姑苏实验室合作,不仅是被动解决退役电池回收的问题,提供工业解决方案,更希望前瞻性地为国家新能源行业提供技术支撑,推进电池的绿色设计,将电池全生命周期的成本降到最低。”林晓说,这更大的意义在于减轻我国新能源产业对国外资源的严重依赖,有助于对冲国际资源价格波动对产业链的影响。

上下游畅通对话,

提炼关键问题才能跨越“死亡谷”

新材料将引领新一轮产业革命,作为多个产业链的上游环节,其发展与下游场景息息相关,科研成果产业化要跨越“死亡谷”,从一开始就要解决科技与产业两张皮的问题。

材料科学姑苏实验室执行主任杨辉介绍,传统科研机构特别关注国际前沿与国家任务交叠部分,参与度高,但科研成果转化效率不高。

如何链接真正的市场需求?与同类实验室比较大的区别是,姑苏实验室天生带有“市场属性”,从初期选择项目的时候,姑苏实验室就有个核心原则——确保项目是来自于后端产业界的真实需求,“比方说我们要求企业首先要投一份钱,企业如果自己不投资,无论提出多少个问题,都可能不是真问题。当他们愿意拿出真金白银进行预期投入,他们想解决的往往是未来长期发展的核心问题,甚至是生死攸关的问题。”

“5G+8K的超高清显示,将引领未来趋势。”谈到与姑苏实验室的合作,东莞阿尔泰显示技术有限公司总经理赵春雷表示,从氮化镓材料到LED芯片、模组再到显示终端,企业一直完全自主研发生产,今年的央视春晚、元宵晚会所用的一块760平方米的主显示屏,就是企业的杰作,也是目前全球最大的4K/8K显示屏幕,“我们一直专注小微间距的显示屏,目前希望能做更小尺寸比如160寸的超高清8K显示屏,走入高端家用市场,但用现有的红光材料来做几乎不可能。”

赵春雷告诉记者,企业在产业上游的材料研发方面出现了瓶颈,而在迷你LED显示屏上实现超高清8K,这在全球企业和学界来说,都是一个共同难题,因此企业也是拿出真金白银,与姑苏实验室共同研发新材料,“我们知道市场在哪里,专业教授能在技术上去实现我们的需求,可以更好地创新突破,抢占市场先机。”

“姑苏实验室进行的是一种新的探索,它所有的科学问题都是来自于企业的需求或者是生产线上的实际需求。以前我们的材料科学数据收集更多聚焦于基础研究;现在我们会聚焦于企业生产上的真实需求,,提炼出关键科学问题,就某一个实际应用的卡脖子问题去收集数据,再把数据提炼给大家,提供创新的知识源头。”江俊说。

实际上,为了创新一种新的范式,姑苏实验室专门去为每个项目建设一支队伍,有针对性地来集成做研究。江俊举例道,“比如说我是做理论的,陈忻是做实验的,下游还有企业。姑苏实验室帮我们在苏州联系了很多企业,有做光刻胶的,有做微电子的,确实让我们更直接地接收到第一线的需求。从项目设计之初大家就可以联动起来,我做数据的挖掘和分析,陈忻把我基于分析、用人工智能推测出来的设计方案,通过实验去实现和验证,这种模式已经明显地体现出了很高的研发效率。”

这种制度创新贯穿于整个项目的过程。

在项目立项之初,姑苏实验室专门成立了投资评审委员会,投资人、外部专家对所有项目进行评审和把关投票,从国际前沿、国家战略需求、产业链需求等维度保证项目质量,“根据前期问题的梳理,我们项目有电子信息材料、生命健康材料和能源材料三个方向,电子信息材料的项目占了总项目数的一半。”姑苏实验室科研能力建设部副部长何敏乐表示,现在很多卡脖子的技术,一半以上都是受制于材料本身及制备工艺,“有时候就是一个不起眼的小零部件,导致了最终成品指标、性能达不到国际前沿。”

随着项目逐步立项,何敏乐发现,在电子信息领域,我们从工艺、器件到加工测试,都有不少要追赶国际前沿的地方,“随着立项推进、研发进展,我们对整个电子信息产业链的未来布局将会更加清晰。”

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何敏乐说,目前不少项目都处于大规模投资的前期,前期投入已经到位,“按照我们提出的‘1+M+N’的多元投入科研协作创新模式,去年企业共投资6个亿,我们的目标是将项目做大,把企业、金融等各方资源引入到实验室关注的应用基础研究领域,使科技经济紧密结合。”

与传统科技组织不同的是,项目管理模式与企业产品研发的模式很相似,“我们会定期对项目的整个技术方案进行论证,每个技术方案都会设置很多里程碑点,我们不特别关注传统科研中有没有论文,而是关注你的技术路线跟预期有没有偏差,阶段性突破有没有达成。”何敏乐说,科研产业化风险很大,我们会根据论证情况,及时调整转向,包括问题项目的退出。

何敏乐表示,姑苏实验室的核心任务是撬动整个研发产业,而不是营利。因此实验室在转化成果分享方面的创新是,一旦企业研发成功产生知识产权,双方将在合同中约定,只要在一定期限内转化成产品,双方开始共有的知识产权将无偿地转让给企业,实现经济利益和社会利益的最大化。

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