習近平總書記指出：“新材料產業是戰略性、基礎性產業，也是高技術競爭的關鍵領域，我們要奮起直追、迎頭趕上。”新材料是新一輪科技革命和產業變革的先導與基石，在推動技術創新、培育和發展新質生產力、維護國家安全等方面發揮著不可替代的保障支撐作用。為實現我國新材料科技和產業從“跟跑”“并跑”再到“領跑”的跨越，迫切需要大力開展“1→0”反向基礎研究，通過對已經突破核心指標、實現裝備應用的研究成果進行“刨根問底”，探究技術瓶頸背后的核心科學問題，搶占新材料創新制高點，加快推進高水平科技自立自強。
一、材料科學“1→0”研究的理論內涵與實踐價值
在材料科學“1→0”反向基礎研究范式中，“1”代表具有工程應用價值的階段性成果，涵蓋材料性能突破與制備技術革新兩大核心維度。具體表現為：材料在特定服役條件下達成預設性能指標，實現工程化應用或型號列裝，或是開發出具備工業化生產潛力的新型制備工藝。而“0”特指支撐上述成果的基礎科學內核，涉及材料在原子及微納尺度的構筑機制、合成加工過程中的物理化學演變規律，以及超高維度下材料構效關系的本質溯源。這一范式強調基于逆向工程思維，結合多尺度表征與理論計算手段，系統解析材料科學問題，深度揭示制約材料性能與應用邊界的核心科學內涵與物理機制，為材料科學發展提供理論支撐與創新驅動力。
1.強化原始創新能力。當前我國材料科學領域原始創新效能不足，其核心癥結在于對基礎科學問題的研究深度與系統性尚顯薄弱。通過“1→0”研究，引導科研人員對基本原理進行再審視與再解析，從而為材料設計理論創新及制備技術突破提供新的認知路徑。以能源轉化材料研究為例，基于現有光電催化突破成果和現實需求，通過系統研究半導體材料原子結構、電子傳輸微觀行為及其光電耦合作用機制，有望建立新的光電轉換新模型和新路徑。這一研究思路的應用將顯著提升我國在能源轉化領域的基礎研究自主性。
2.突破材料性能極限。材料性能提升面臨的技術瓶頸本質上源于對材料成分—結構—組織—性能關系認知的局限性。這一局限性的物理本質在于材料結構與性能關系是一個超高維度下的跨時空尺度問題。通過開展多尺度結構演化與性能調控機制的交叉研究，有助于揭示材料性能調控的新維度與新規律。以高熵合金強塑設計為例，基于現有增材制造特征組織在高熵合金強韌化方面的優異效果，深入挖掘位錯組態對強度與塑性的內在作用機制，能夠突破位錯強化必然損害塑性的傳統強化理論邊界，為新型金屬材料性能優化提供全新途徑。這將從原理上拓展金屬材料的性能極限，推動特種超強高塑結構材料的迭代升級。
3.提升戰略材料自主保障能力。關鍵戰略材料的自主可控是維護國家產業安全與國防安全的重要基石。針對我國在空天飛行器關鍵熱結構碳/碳復合材料的技術短板，通過大數據驅動的材料設計模型和先進的制備方法與原理研究，系統解析碳/碳復合材料微觀結構—力學性能—耐高溫性能的構效關系，突破預制體按需設計、碳基體織構精細調控、界面強韌化控制和抗氧化燒蝕涂層制備等核心技術環節，有助于打造自主可控的耐極端環境高性能碳基復合材料技術體系，顯著增強我國空天產業鏈與供應鏈的穩定性和抗風險能力。
二、新材料領域“1→0”研究的主要挑戰和實施路徑
（一）主要挑戰
材料科學“1→0”反向基礎研究的核心瓶頸之一在于“0”的問題歸納凝練或定位不準。這一瓶頸的物理內涵在于低維度的材料性能向超高維度材料結構空間的反向映射。如何在超高維度空間下精準識別出決定材料性能的本征物化規律是決定“0”的問題研究成敗的關鍵，同時也是在“0”的問題上反向突破“1”的問題的機遇所在。
1.超高維跨尺度材料結構-性能關系的破譯難題。材料體系的本征性能由原子/分子、納米、介觀至宏觀等多尺度結構協同決定，構建超高維跨尺度定量構效關系已成為材料科學基礎研究的核心挑戰。在“1→0”原始創新研究范式中，從宏觀性能反演關鍵微觀結構，亟需多尺度表征技術與理論模擬方法的深度集成。然而，當前在跨尺度信息傳遞機制解析、超高維空間降維及關鍵物理規律挖掘及多物理場耦合效應建模等方面仍存在顯著技術瓶頸。特別是原子尺度缺陷演化與宏觀力學響應之間的非線性映射關系，尚未形成完整的理論框架與實驗驗證體系。
2.實驗表征與理論計算的協同困境。解析“1→0”關鍵科學問題依賴高時空分辨實驗技術與多尺度理論計算方法的深度融合。當前實驗手段在原子級晶格畸變動態監測、超快相變過程原位追蹤等方面存在空間分辨率與時間靈敏度的雙重限制；而理論計算方面，第一性原理方法難以精確處理復雜體系中的強電子關聯問題，分子動力學模擬在時間尺度上難以覆蓋微觀過程向宏觀行為演化的全周期，導致多尺度建模的預測能力有限。實驗觀測與理論模擬在時空尺度覆蓋、物理機制描述等方面的錯位，成為制約材料科學基礎研究范式變革的重要瓶頸。
（二）實施路徑
1.深化多學科創新交叉融合。新材料研發呈現出鮮明的學科交叉特征，高度依賴物理學、化學、生物學、數學及計算機科學等學科的深度融合。從理論層面看，量子力學的能帶理論為材料電子結構解析提供基礎，化學分子工程學指導材料構筑單元設計，仿生生物學啟發材料微觀結構優化，而人工智能技術的高維表達與泛化能力則助力材料超高維空間建模與隱含物理規律的挖掘。這種多維度研究范式通過整合不同學科的理論框架與技術手段，能夠實現對材料科學基礎問題的系統性突破。在組織架構層面，跨學科協同創新團隊將成為開展前沿研究的核心載體，通過構建知識共享與技術集成機制，推動學科交叉領域的原創性成果產出。
2.加快向數據驅動與智能研究范式轉型。伴隨高通量實驗與第一性原理計算技術的發展，材料科學研究已進入大數據時代。人工智能在科學研究領域最大的優勢便是其強大的高維空間數學表達能力與基于有限先驗信息的泛化能力，而這正是材料科學傳統研究范式所面臨的瓶頸。人工智能與材料科學研究的融合，不僅有助于超高維下“0”的問題的定位與最終解決，也將大幅提升“1”的問題的反向突破。人工智能算法通過機器學習模型對海量實驗數據與理論計算結果進行深度挖掘，能夠有效解析材料結構—性能—制備工藝之間的非線性關系，突破材料研發的尺度壁壘與“維度災難”難題，實現新材料性能預測與合成路徑的精準設計。
3.加強新材料“1→0”研究的有組織協同。對于定向性的基礎研究，如果沒有組織就是一盤散沙，靠單打獨斗難以長期堅持。要強化科研團隊的有組織協同創新，進行分類評價改革，推動科研力量和資源優化配置，提升協同攻關能力。同時，應推動政府、高校、科研機構、企業等創新主體之間搭建協同合作網絡，通過建設新材料研發示范平臺、設立“1→0”研發基金等方式，共同推動解決新材料基礎研究的共性問題。
三、材料學院推進“1→0”研究的實踐探索
發揮科研團隊集智攻關優勢是材料學院科技創新發展的“傳家寶”。學院多次組織召開團隊研討會，分析研究團隊發展現狀和存在的問題，以“強強聯合”“交叉融合”“資源聚合”，加快建設高水平科研團隊，有組織推進“1→0”反向基礎研究，持續強化原始創新能力。
強強聯合。學院以新一輪聘崗為契機，堅持做好“特色”大文章，對傳統優勢方向科研團隊進行整合，完善學科方向內部“基礎-工程-應用”的隊伍結構配置模式，打造科研集成優勢，以高效內循環增強協作效能。2024學院發表Nature Chemistry1篇、Nature Communications 8篇。
交叉融合。建立國家戰略需求牽引的跨方向、跨團隊聯合攻關機制，圍繞國家重點研發項目、國家自然基金委重大重點項目以及各類型號項目，打好基礎研究和工程應用雙向發力、協同發展的“組合拳”。2024年，學院獲批國家自然科學基金50項，其中重點類項目6項；牽頭獲批國家重點研發計劃項目6項；專利轉移轉化金額4147萬元，孵化2家高新技術企業，新增1家上市企業。
資源聚合。立足“國防、三航、系統”特色，圍繞“方向—隊伍—平臺—項目—成果”五位一體創新鏈條，與成飛、中航重機等大院大所構建以科研項目聯合攻關為基礎的系統、全面合作體系，合作成立12個校企聯合實驗室，激活特色發展的“源頭活水”。2024年學院科研經費到款再創歷史新高；新增中國-哈薩克斯坦材料基因工程與智能科學“一帶一路”聯合實驗室，成功重組凝固技術全國重點實驗室，獲國家技術發明獎二等獎1項、陜西省自然科學一等獎2項、陜西省技術發明一等獎2項、陜西省國際科學技術合作獎1項。
（文字：付前剛；審核：馬西平）
