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发表于 2026-4-21 10:26:50
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深圳材料基因组工程大科学装置 探索微观大世界
手机能做到轻薄便携又耐摔，核心是高强度特种玻璃与航空级轻量化铝合金的加持；新能源汽车实现充电提速、续航翻倍，关键在于正负极材料与固态电解质的技术突破；医疗领域中，医用钛合金人造关节具备良好的生物相容性，生物材料制成的人造皮肤能加速烧伤创面愈合、减少疤痕。这些都是新材料的功劳。
近日，记者走进位于光明科学城的深圳材料基因组工程大科学装置看到，科研人员正在使用高压中子谱仪与高分辨高通量中子粉末衍射谱仪探索微观原子结构，通过获取未知材料的“基因序列”探寻新发现。研发新材料需要测试大量样品，而中子就像一个“穿墙侠”，能够轻松穿透很多物质。借助这个探索材料微观世界的理想“侦探工具”，科学家可以快速筛选出具有理想结构的材料，极大提高了新材料研发的效率。
从2018年正式立项到2025年通过工艺验收，总投资7.1亿元的深圳材料基因组工程大科学装置在推动材料科学创新和发展中发挥着重要作用。在试运行的一年多时间里，该大科学装置提供中子衍射测试及高通量计算机时等服务，完成样品测试600余个，涵盖从高校、科研机构、企业等50家，有力支撑材料基因工程实施，加速新材料发现和应用，为中国乃至全球的科技进步作出贡献。
当前，新能源、生物医药、电子信息等新兴领域正在快速发展，高性能材料的市场需求日益迫切，材料基因组相关科研设施成为美国、欧洲、日本等全球多个发达国家和地区布局的重点。它究竟藏着怎样的“绝世武功”？深圳材料基因组大科学装置平台高压中子谱仪建设项目负责人、南方科技大学长聘研究教授韩松柏为记者揭开了这一重要科研设施的神秘面纱。
他举例表示，材料基因组的核心价值是做“从0到1”的研究，即根据应用需求去发现和发明新材料。过去，这个“发现和发明”过程非常耗时费力，就像和面“蒸馒头”一样，要蒸出鲜甜、好吃又蓬松的馒头需要一屉一屉馒头“试错性”的反复尝试。而材料基因组就是一屉蒸出一堆“小馒头”（高通量制备），精准测算出水、面和酵母的比例，以及时间、温度和气压（高通量表征），最终找出多种口味的“配方”和“蒸制条件”（材料数据库）。有了这些“配方”大数据，再想蒸出新口味的馒头，就可以利用人工智能（AI）的机器学习等技术，快速筛选和设计出新的“配方”。
“服务科技进步与社会生产力发展要求，天然材料已经不能满足社会生产发展需求，性能、产量、成本、环保问题都推动人工合成材料崛起。用传统方法开发新材料时，主要依靠经验和有限的实验数据进行试错，往往面临研发周期长、成本高昂的问题，而材料基因工程通过引入高通量计算、高通量实验和大数据分析等手段，通过机器学习和数据驱动的方法，可以从浩瀚的材料体系中高效筛选出具有潜在应用价值的材料，将新材料的研发时间缩短了一半，并大幅降低成本。”
材料的性能是由其内部的原子排列和结构决定的，只有精准读取材料的“基因序列”，科学家才能开发出符合应用需求的新材料。韩松柏解释说，中子就像一个“穿墙侠”，能够轻松穿透很多物质。这是因为中子不带电荷，所以它不会被原子核周围的电子排斥，可以直接“看”到原子核的位置。正是因为这些独特的“超能力”，中子成为了探索材料微观世界的理想“侦探工具”。
作为材料基因组的核心装置，深圳建设了高压中子谱仪与高分辨高通量中子粉末衍射谱仪。
“高压中子谱仪就是用中子去测量材料在极端条件下的结构变化，当一束中子射线穿过材料时，中子会与原子核相互作用发生散射。通过检测这些散射的中子，我们可以推断出材料内部的原子排列和结构。”韩松柏表示，而高分辨中子衍射谱仪的“高分辨”意味着可以提供更为精确的结构信息，就像用高倍放大镜看东西一样。
2025年1月，总投资7.1亿元的深圳市材料基因组大科学装置平台重大科技基础设施项目——高压中子谱仪与高分辨高通量中子粉末衍射谱仪通过工艺验收，巧妙地将高通量材料计算设计、高通量实验技术以及材料数据库这三块关键“拼图”紧密结合，构建起一个跨学科的创新网络。
中国科学院院士、深圳材料基因组大科学装置项目负责人俞书宏院士表示，大科学装置平台秉持开放共享的理念，面向全国各高校、科研院所以及企事业单位开放服务，紧密围绕国家重大需求，聚焦能源与环境、电子信息、生物医药、航空航天、仿生材料等关键产业领域，全力突破“卡脖子”技术难题，助力国家科技进步与社会发展迈上新台阶。
当前，新能源汽车市场渗透率不断提升，固态电池技术成为了行业技术升级的重点方向，以进一步提升安全性能与续航能力。近年来，在南方科技大学的深圳市固态电池研发重点实验室，韩松柏带领的科研团队立足材料基因组，找到了固态电解质的“新配方”。
“我们研发出一种全新的固态电解质非晶材料，即便是在零下60摄氏度的环境下也能够保持比较好的电导率。通过平台的高通量计算和实验，科研团队成功筛选出几种具有高离子导电率和良好稳定性的固态电解质材料，大大加快了全固态电池的研发进度，同时，利用密度泛函理论和机器学习算法，对数百万种潜在的材料体系进行快速筛选和性能预测，大幅缩短了初期材料选择的时间。”韩松柏说。
目前，深圳材料基因组设施平台正在进行试运行，在一年多的时间里已为用户提供中子衍射测试及高通量计算机时等服务，完成样品测试600余个，累计服务华为、宁德时代、弗迪电池、新宙邦等企业，覆盖清华大学、北京大学、南方科技大学、深圳大学、中科院物理所、中科院金属所等多家高校与科研院所。
对接前沿科研需求，这座大科学装置加速了高熵合金的设计与发现。国内某高校科研团队负责人表示，高熵合金通常由五种或更多种等摩尔或接近等摩尔比例的元素组成，展现出独特的化学、物理和机械性能，传统的试错法来探索高熵合金的巨大组分空间几乎是不可能的。材料基因组装置通过机器学习和数据驱动，应用人工智能加速新材料的发现，为材料科学的发展带来了深刻变革。
在粤港澳大湾区合作方面，深圳的材料基因组装置还与位于东莞松山湖科学城的中国散裂中子源达成合作，成功研制中国首台真三轴压机打破国外封锁。通过开展先进电池、清洁能源、生物仿生、电子信息等材料研究，该平台推动“首次证实氧还原活性材料中存在负热膨胀行为”“首次解析贻贝铰链组织的抗疲劳特性”“首次发现新型氯氮化物非晶全固态电解质”等原创性进展，相关研究成果发表在《自然》等国际顶级期刊上。
国内材料基因研究呈现“一南一北”双向布局，除了深圳光明科学城，在北京怀柔科学城，材料基因组研究平台是该科学城的重要组成部分，上述平台依托中国科学院物理研究所的建制化科研优势，旨在通过“材料基因工程”理念，集材料计算、大数据处理、高通量材料合成与表征、高通量技术研发等功能于一体，为企业和科研机构提供新材料探索、共性技术研发、分析测试等科技服务。
两处大科学装置协同服务国家材料科学发展，它们通过整合高通量计算、高通量实验和材料数据库，形成了一个动态的、数据驱动的创新生态系统。在这个网络中，计算预测指导实验方向，实验数据验证和完善计算模型，所有信息都汇聚到数据库中进行学习和挖掘，从而极大地加速了新材料的发现和应用。 |
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