揭秘元素周期表背后的黑科技新材料

揭秘元素周期表背后的黑科技新材料

新材料的发现和应用是推动科技进步和产业升级的关键力量。近年来，随着人工智能（AI）技术的快速发展，新材料的发现过程正在发生革命性的变化。AI与传统材料科学研究的深度融合，不仅加速了新材料的发现，还为材料科学带来了新的研究范式。

在材料科学领域，密度泛函理论（DFT）计算是一种核心工具，用于预测材料的电子结构、能带结构、光学性质等关键特性。然而，传统的DFT计算面临着计算效率低、精度有限等问题。AI技术的引入，为解决这些问题提供了新的途径。

1. 初始结构预测：AI可以基于已有的材料数据库，快速预测可能的稳定结构，为DFT计算提供更好的初始猜测。这不仅加快了单个计算的速度，还能够更有效地探索材料构型空间。

2. 交换关联泛函优化：作为DFT中最具挑战性的部分，交换关联泛函的精确形式仍然未知。AI可以通过分析大量高精度计算结果，提出新的泛函形式或优化现有泛函，提高DFT计算的精度。

3. 计算加速：机器学习模型可以替代某些耗时的DFT计算步骤，如电子密度的自洽迭代。更进一步，“机器学习势能”的开发有望在某些情况下完全替代DFT计算，大幅提高计算速度。

4. 参数优化：AI可以智能地选择和优化DFT计算中的各种参数，如截断能、k点网格等，在保证精度的同时最大化计算效率。

5. 数据驱动的物性预测：利用机器学习模型从已有的DFT计算结果中学习，可以快速预测新材料的性质，为大规模材料筛选提供可能。

6. 误差校正：AI模型可以用来校正DFT计算中的系统误差，特别是对于DFT通常表现不佳的强关联系统，提高理论预测的准确性。

7. 大规模系统模拟：结合AI和多尺度建模技术，可以扩展DFT能够处理的系统尺寸，使得更复杂、更接近实际应用的材料系统成为可能。

8. 实验数据整合：大模型可以处理和整合实验数据与DFT计算结果，提高理论预测的准确性，同时为实验设计提供指导。

9. 自动化工作流程：AI驱动的自动化DFT计算流程，包括任务规划、错误处理和结果分析，可以大大提高研究效率。

10. 解释性和可视化：AI技术可以改进DFT结果的解释和可视化，帮助研究人员更直观地理解复杂的电子结构。

11. 反向设计：利用生成式AI模型，可以根据目标性能反向设计材料结构，然后用DFT验证，这开辟了材料设计的新途径。

这种AI与DFT的深度融合不仅能够加速单个计算过程，更重要的是，它正在改变材料科学研究的范式。传统的“试错法”正逐步被数据驱动和AI辅助的智能设计所取代。研究人员可以更快地探索材料空间，预测新材料的性能，并优化合成路径。

新材料技术在新一代信息技术、新能源、装备制造、航空航天、轨道交通、海洋工程和医疗健康等产业中的广泛应用，展现了新材料产业良好的市场机遇和发展前景。

中国新材料产业进入发展加速期，产业规模不断扩大。2022年，中国新材料产业总产值达到约6.8万亿元，较2012年增长近6倍。涵盖金属、高分子、陶瓷等结构与功能材料的研发和生产体系已经建成，有色金属、化学纤维、先进储能材料、光伏材料、有机硅、超硬材料、特种不锈钢等百余种材料产量位居全球前列。

工业和信息化部的数据显示，2023年1至9月，中国新材料产业总产值超过5万亿元，保持两位数增长。截至2023年10月，中国新材料领域建立7个国家制造业创新中心，布局建设了35个新材料重点平台，一批重大关键材料取得突破，涌现出高温超导材料、钙钛矿太阳能电池材料等一批前沿技术；新材料规上企业超过2万家，专精特新“小巨人”企业1972家、制造业单项冠军企业248家，同时培育形成了7个国家先进制造业集群。

第三代铝锂合金成功在国产大飞机上实现应用，第二代高温超导材料支撑世界首条35千伏公里级高温超导电缆示范工程上网通电运行……新材料的快速发展，正不断推动产业结构优化升级。超级钢、电解铝、低环境负荷型水泥、全氟离子膜、聚烯烃催化剂等关键技术突破，促进了钢铁、有色金属、建材、石化等产业发展。新材料还为中国航空航天、能源交通、工程建设、资源节约及环境治理等领域提供了不可或缺的物质基础和保障。

随着中国新材料产业的发展，越来越多的关键材料实现国产化突破，更多高性能新材料成果面世。

0.03毫米厚度？这是玻璃吗？当这块玻璃被轻轻地弯曲成一道彩虹状时，中国工程院院士、中国建材集团首席科学家彭寿的演示，让周围人惊叹不已。

据介绍，彭寿院士团队研制出一款柔性显示玻璃（UTG），这种玻璃常应用于折叠屏手机。2023年底，团队实现30微米超薄柔性玻璃弯折半径小于0.5毫米，弯折极限进一步提升。

“跨学科、跨领域的交叉融合逐渐成为材料研究和创新的必然趋势，催生新的学科前沿、科技领域和创新形态。”彭寿表示，未来UTG也将持续深化与信息科学、能源科学、生命科学、空间科学等领域的交叉创新，持续向极薄化、功能化、复合化、智能化等方向发展，比如UTG可以作为透明保护层，在保证汽车安全性能的前提下，让车辆的玻璃区域具备透明显示器功能，打造新一代HMI（人机界面）方案。此外，在智慧医疗领域，可在玻璃衬片上精密置入应变传感器、超级电容器等微型电子元器件，形成可贴合在人体表面的电子皮肤贴片，能实时监测人体生理信号，如心率、血压、体温等，实现远程诊断和治疗，同时可以用来增强智能机器人的感知能力和交互能力……

“UTG将以更加丰富的形态应用到人们各个生活场景，让未来画面照进现实，让玻璃创造美好世界。”彭寿说。

在国家镁合金材料工程技术研究中心展览室中，一款款超大型镁合金板材和型材让潘复生院士颇为自豪：“像这一款大型材，一开始，很多业内人士都不相信，镁合金型材也能做得这么大这么薄。”

近年来，中国镁合金研发的总体水平已处于世界先进水平，多个重要方向已处于世界领先，中国生产的镁合金零部件已在几千万辆汽车上开始应用。“镁合金是目前轻量化效果最好的环保材料。”潘复生说，中国镁合金资源非常丰富，同时镁合金显著的轻量化特性能够带来明显的节能减排成效。“令我惊喜的是，在研究镁合金的过程中，我们发现镁合金还具有巨大的功能特性，特别是在镁电池材料和镁储氢材料方面展现出良好的性能潜力。镁合金丰富的功能特性将使得其应用领域更加广泛。”

宝武镁业科技股份有限公司（以下简称“宝武镁业”）作为中国宝武钢铁集团有限公司新材料产业发展的关键平台，着力以科技创新为引擎推动镁业高端化发展，其中，镁合金座椅骨架和镁基储氢应用是近期两项重大技术突破。

“镁合金应用在座椅骨架上，可以减轻整椅重量，刚度好，具有良好减震性能，其耐久性、高低温循环性能也已经被验证通过。”宝武镁业下属重庆博奥镁铝金属制造有限公司的产品设计经理任位这样描述镁合金座椅骨架的优点。

而在镁基储氢方面，镁基固态储氢合金被誉为最具潜力的新型储氢材料之一，具有储氢容量大、吸放氢可逆性好、成本低、资源丰富等优点。2023年，宝武镁业与重庆大学、宝钢金属联合研发镁基固态储氢材料，目前，宝武镁业下属巢湖云海镁业有限公司的镁基储氢样品已合格。

“石墨烯是一种引领科技前沿的新材料，具有卓越的导电性

新材料产业的蓬勃发展，离不开科技创新和跨学科融合的推动。AI技术与材料科学的深度融合，为新材料的发现和应用开辟了新的途径。未来，随着AI算法的不断优化和计算能力的提升，新材料的发现速度将进一步加快，性能也将更加优异。

同时，新材料产业的发展还需要关注以下几个方面：

1. 基础研究与应用研究的平衡：既要重视基础研究，推动新材料科学理论的发展，又要注重应用研究，加快新材料的产业化进程。

2. 跨学科融合：新材料的发展往往需要多学科的交叉融合，如UTG玻璃与信息科学、能源科学的结合，镁合金与储氢技术的结合等。

3. 可持续发展：新材料的开发和应用应注重环境保护和资源节约，如发展绿色制造工艺、提高材料的回收利用率等。

4. 国际合作与竞争：新材料领域是全球科技创新的前沿阵地，需要在国际合作与竞争中寻求平衡，既要积极参与国际科技合作，又要保护自主知识产权。

新材料产业的未来充满希望。随着科技创新的不断推进，新材料将在更多领域展现出其独特价值，为人类社会的可持续发展做出更大贡献。