材料是人类社会生存和发展的物质基础，近年来材料科技加速发展，新材料不断涌现，应用更迭加速，材料种类、创新和应用需求从速度、广度、深度及影响都呈现爆发态势。材料在经济社会发展中的作用逐渐从基础性、支撑性向颠覆性、引领性转变，成为面向未来产业取得竞争优势的关键性领域。总结材料领域颠覆性技术发展经验，分析发展态势，对于应对传统产业颠覆性重构，前瞻部署变革性技术研发，加快实现前沿技术创新应用，取得更加有利的国际竞争优势具有重大意义。

一、材料领域颠覆性技术发展经验

（一）材料领域的创新与突破是产业颠覆性变革的重要基础

材料领域的技术突破往往会导致颠覆性技术的出现，从而推动科技进步和产业变革。1508年，意大利科学家达·芬奇用玻璃罐装水，将面部浸入其内，发现视物清晰，可以改善视力，提出隐形视镜概念雏形。但直到20世纪90年代，新型硅水凝胶开发成功解决了水凝胶材料高透氧性和低含水保湿性不能共存的问题，第三代高透氧含硅软质水凝胶角膜接触镜才得以广泛使用。19世纪末，奥地利植物学家发现液晶材料同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性；利用液晶的电光效应，美国无线电公司（Radio Corporation of America）在1968年研制出首台液晶显示样机，从而带来了显示革命。2014年度诺贝尔物理学奖得主赤崎勇、天野浩和中村修二在20世纪90年代创新发展了宽禁带半导体材料氮化镓和铟氮化稼制备技术，最终实现具有商业应用价值的蓝光LED，开辟了照明新纪元。

无论是蓝光LED、液晶还是角膜接触镜用的水凝胶材料，这些新材料的发现和应用是促进颠覆性技术诞生与不断发展的动力源泉。

（二）材料领域的颠覆性技术需要经历长期演化过程

高性能纤维材料具有轻质高强特征，是引领结构材料变革的典型代表。纤维材料发展的初期，虽然形貌极具颠覆性，但力学性能等核心指标远落后于传统金属结构材料，且发展缓慢。但随着技术成熟度的提升，其在设计、加工工艺、应用等方面的优势得以显现，高性能纤维的结构性能优势明显释放，显示出颠覆性技术的价值与意义。

钕铁硼永磁体材料是迄今为止磁性能最强的永磁材料，在风力发电、新能源汽车、节能家电、工业机器人、高速和磁悬浮列车等行业中广泛应用。但在稀土永磁材料发展的初期，钕铁基永磁体并没有得到重视，直到1983年日本科学家Sagawa宣布获得了最大磁能积35MGOe的烧结钕铁硼磁体，此后钕铁硼永磁体材料迅速成为应用最广泛的永磁材料。

从高性能纤维材料和钕铁硼磁体的发现到实现颠覆性应用的过程，总结其经验，材料领域颠覆性技术的诞生必然是以大量试验为基础，通过对材料结构和特性的深入理解，并且需要装备技术等多领域的协同推进才能实现。创新性发现是构建完整材料体系过程中的关键环节，技术进步需要从量变到质变的过程。市场需求是促进技术革新的最强原动力。高性能纤维和烧结钕铁硼磁体的发展很大程度上来源于工业、航空航天等领域对高强度结构轻量化材料和高磁性能永磁体的巨大需求，促使了其制备技术的快速工业化。尤其是国家在颠覆性材料发展上给予的巨大支持，是加速其技术革新和性能提升的关键，而人才、合作则是技术开发成功不可或缺的重要因素。

二、材料前沿及相关颠覆性技术发展态势

（一）信息功能材料创新是未来科技革命和产业变革的重要引擎

信息功能材料作为信息技术产业发展的基础支撑，不断孕育颠覆性变革。基于石墨烯的新一代光调制器和光探测器与传统半导体器件相比，具有宽波段工作和快速响应的特点，有望开发出超高数据传输速率的新一代数据通信链，将信息技术带入新的纪元。此外，石墨烯集高透光、高电导与高柔性于一身，被认为是柔性透明导电薄膜的理想选择，石墨烯的应用将加速柔性电子时代的到来。超宽禁带半导体材料器件工作范围可拓展到深紫外、高压、高功率、高频、小尺寸方面，实现半导体器件更新迭代。Micro-LED显示具有自发光、高效率、低功耗、可柔性、高透明、可集成、可交互、高稳定性、全天候工作的优点，被认为是具有颠覆性和变革型的下一代主流显示技术。原子制造正在逐渐受到国内外学界和各国政府的关注，并已在原子基元制造、分子机器和单分子精确组装和单原子晶体管（存储器）等方面取得一些进展。拓扑绝缘体等量子材料的最新进展显示其在清洁能源、量子计算和信息技术方面广阔的应用前景。

（二）颠覆性新能源材料正在成为实现碳中和的关键

在新能源革命的推动下，具有潜在颠覆性应用的新材料不断涌现。热电材料是可以实现热能—电能直接转换的清洁能源材料，是实现太阳能全光谱高效发电、工业余热发电、微小温差发电、热电制冷的关键。有机无机杂化钙钛矿材料作为太阳能电池的吸光材料因其消耗的资源更少，在超薄以及柔性能源领域有着较为光明的应用前景。多电子体系电池已被应用于传统的锂离子电池和其他新型二次电池的领域，锂空气电池和锂硫电池有望实现比当前锂离子电池高2～10倍能量密度的突破。储存和运输高密度气体燃料的新材料，先进的生物质废物转化为能源的技术，有望突破气体燃料应用技术障碍，有效降低中型和重型气体燃料车的成本。风电行业需要继续降低成本，通过研发新材料以减轻部件重量、增加耐用性并改善机械性能。还需开发更轻、更耐用、更易回收的新材料，以提高风电发展的可持续性。

（三）材料在生物技术中的应用成为颠覆性创新热点

生物医用材料、生物医药、生物基材料、生物农业日趋成熟，生物制造、生物能源、生物环保产业快速兴起。

新材料与生物技术的融合促进了以治疗性细胞和分子、聚合物、化学物质、药物为代表的生物制造加速发展。轻薄的二维材料、柔性有机半导体材料推动新型传感器不断进步，深刻影响脑认知原理解析、脑疾病发病机理与干预技术、类脑计算与脑机智能技术等脑科学研究进展。纳米新材料和技术应用于医学，将成为未来诊断与治疗发展的重要趋势，例如羧基修饰的钆基金属富勒烯水溶性纳米颗粒可以在射频辅助下快速杀死小鼠体内的肿瘤。未来颠覆性创新方向还包括：再生工程材料（水凝胶）和器官芯片技术；开发新的、更易于操作的生物油墨材料系统，以创建与器官和功能组织一样具有精确排列的特定细胞的复杂图案结构；开展纳米颗粒在无血管软骨组织和血脑屏障等神经系统疾病治疗的应用；建立包含纳米载体与一系列肿瘤相关细胞相互作用的重要数据库，以指导针对肿瘤或肿瘤细胞的纳米载体设计。

生物学与半导体技术集成存在巨大的机遇与挑战，有望发展可用于设备和系统的酵母-InP、Mthermoacetica-CdS等新型生物材料平台，以及数据存储时间超过100年且存储容量超过当前存储技术1000倍的下一代信息存储技术。

（四）前沿材料与技术支撑深空深海、核能制造领域未来发展

深空探测长周期任务面临长期极端温度（高温或低温以及高低温循环）、强辐射、酸性大气、尘与尘暴等更加复杂恶劣的太空环境，对深空探测器材料和工艺提出新的挑战。未来需要进一步开发轻质结构材料、提高合金类材料的强度和综合性能、研制高性能非金属基或金属基复合材料、开展结构功能一体化设计、发展柔性材料、提升热控制材料效率。同时，深空探测长寿命、多载荷和多任务的特点需要开发新型高费效比的新材料来满足更高的空间能源需求。深海底部蕴藏着丰富的油气、水合物、矿产、生物资源，其种类多、储量大，具有巨大的开发利用前景，世界各国都在加快深海资源开发装备研制。深海装备的发展依赖于新材料关键技术的突破，特别是耐低温高韧性新型材料、耐低温耐腐蚀厌冰涂层材料、低温焊接材料与技术等。

新一代核能发电技术方兴未艾，未来超高温气冷堆耐热材料尚未开展研究，蒸发器传热管和石墨材料的应用性能尚需进一步研究，高温金属结构材料是超高温气冷堆技术发展的主要瓶颈。目前高温气冷堆堆芯氦气出口温度为750℃，未来超高温气冷堆堆芯氦气出口温度将提高到 900～1 000℃，相应的蒸汽发生器、堆内金属构件、氦-氦中间换热器等耐热材料均需满足高温力学性能和物理性能的要求。此外，铅冷快堆、钠冷快堆、超临界水堆和行波堆燃料及包壳材料尚在研发与选材阶段。

（五）材料与其他领域融合加剧，促进学科融合发展

材料与能源、信息、生物、医学等现代技术的深度交叉，极大地促进了学科间的融合发展。智能材料与3D打印结合形成4D打印技术，有机复合材料、生物活性材料与临床医学结合分别产生和发展了“电子皮肤”和组织再生工程。碳纤维及复合材料已用于航空航天和先进交通工具。化合物半导体材料使太赫兹技术在环境监测、医疗、反恐方面得以应用。超材料以微结构和先进材料结合，在电磁波和光学领域获得引人注目的成果。柔性电子学材料、新能源材料、生物医用材料市场前景广阔。自旋电子学材料、铁基及新型超导材料的研究方兴未艾。阻变、相变、磁存储材料，以及纤锌矿铁电材料和氧化物半导体材料将改变传统的半导体存储器。富勒烯、石墨烯、碳纳米管开辟了碳基材料的发展前景；石墨烯剥离成功，更引发了二硫化钼、单层锡、黑磷、硅烯、锗烯等二维材料的研究热潮。材料基因工程有机融合了材料高效计算设计、先进实验技术与大数据、人工智能等前沿技术，有利于加速研发模式的变革，对于提高研发效率、降低研发成本、满足日益增长的高性能新材料需求具有重要意义。

三、结语

新一轮科技革命和产业变革为全球科技竞争格局重塑带来重大机遇，是抢占未来科技发展主动权的重要窗口期，新材料研发正在成为颠覆性技术创新和未来产业培育的高地。在此背景下，回顾材料领域颠覆性技术发展历程，开展材料领域颠覆性技术预见，提出系统性探索面向未来的新材料发展思路意义重大。以合理的资源配置方式对材料领域颠覆性技术进行有针对性的前瞻布局，才能够有力推动材料领域的技术革新，进而抢占全球科技发展制高点。