高分辨高通量中子粉末衍射譜儀測試室。 受訪單位供圖

深圳新聞網(wǎng)2026年4月20日訊（深圳特區(qū)報(bào)記者 熊子恒 聞坤）手機(jī)能做到輕薄便攜又耐摔，核心是高強(qiáng)度特種玻璃與航空級(jí)輕量化鋁合金的加持；新能源汽車實(shí)現(xiàn)充電提速、續(xù)航翻倍，關(guān)鍵在于正負(fù)極材料與固態(tài)電解質(zhì)的技術(shù)突破；醫(yī)療領(lǐng)域中，醫(yī)用鈦合金人造關(guān)節(jié)具備良好的生物相容性，生物材料制成的人造皮膚能加速燒傷創(chuàng)面愈合、減少疤痕。這些都是新材料的功勞。

近日，記者走進(jìn)位于光明科學(xué)城的深圳材料基因組工程大科學(xué)裝置看到，科研人員正在使用高壓中子譜儀與高分辨高通量中子粉末衍射譜儀探索微觀原子結(jié)構(gòu)，通過獲取未知材料的“基因序列”探尋新發(fā)現(xiàn)。研發(fā)新材料需要測試大量樣品，而中子就像一個(gè)“穿墻俠”，能夠輕松穿透很多物質(zhì)。借助這個(gè)探索材料微觀世界的理想“偵探工具”，科學(xué)家可以快速篩選出具有理想結(jié)構(gòu)的材料，極大提高了新材料研發(fā)的效率。

從2018年正式立項(xiàng)到2025年通過工藝驗(yàn)收，總投資7.1億元的深圳材料基因組工程大科學(xué)裝置在推動(dòng)材料科學(xué)創(chuàng)新和發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。在試運(yùn)行的一年多時(shí)間里，該大科學(xué)裝置提供中子衍射測試及高通量計(jì)算機(jī)時(shí)等服務(wù)，完成樣品測試600余個(gè)，涵蓋從高校、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)等50家，有力支撐材料基因工程實(shí)施，加速新材料發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，為中國乃至全球的科技進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。

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用中子“放大鏡”探索材料微觀結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，新能源、生物醫(yī)藥、電子信息等新興領(lǐng)域正在快速發(fā)展，高性能材料的市場需求日益迫切，材料基因組相關(guān)科研設(shè)施成為美國、歐洲、日本等全球多個(gè)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)布局的重點(diǎn)。它究竟藏著怎樣的“絕世武功”？深圳材料基因組大科學(xué)裝置平臺(tái)高壓中子譜儀建設(shè)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、南方科技大學(xué)長聘研究教授韓松柏為記者揭開了這一重要科研設(shè)施的神秘面紗。

他舉例表示，材料基因組的核心價(jià)值是做“從0到1”的研究，即根據(jù)應(yīng)用需求去發(fā)現(xiàn)和發(fā)明新材料。過去，這個(gè)“發(fā)現(xiàn)和發(fā)明”過程非常耗時(shí)費(fèi)力，就像和面“蒸饅頭”一樣，要蒸出鮮甜、好吃又蓬松的饅頭需要一屜一屜饅頭“試錯(cuò)性”的反復(fù)嘗試。而材料基因組就是一屜蒸出一堆“小饅頭”（高通量制備），精準(zhǔn)測算出水、面和酵母的比例，以及時(shí)間、溫度和氣壓（高通量表征），最終找出多種口味的“配方”和“蒸制條件”（材料數(shù)據(jù)庫）。有了這些“配方”大數(shù)據(jù)，再想蒸出新口味的饅頭，就可以利用人工智能（AI）的機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，快速篩選和設(shè)計(jì)出新的“配方”。

“服務(wù)科技進(jìn)步與社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展要求，天然材料已經(jīng)不能滿足社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展需求，性能、產(chǎn)量、成本、環(huán)保問題都推動(dòng)人工合成材料崛起。用傳統(tǒng)方法開發(fā)新材料時(shí)，主要依靠經(jīng)驗(yàn)和有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行試錯(cuò)，往往面臨研發(fā)周期長、成本高昂的問題，而材料基因工程通過引入高通量計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)和大數(shù)據(jù)分析等手段，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，可以從浩瀚的材料體系中高效篩選出具有潛在應(yīng)用價(jià)值的材料，將新材料的研發(fā)時(shí)間縮短了一半，并大幅降低成本?！?/p>

材料的性能是由其內(nèi)部的原子排列和結(jié)構(gòu)決定的，只有精準(zhǔn)讀取材料的“基因序列”，科學(xué)家才能開發(fā)出符合應(yīng)用需求的新材料。韓松柏解釋說，中子就像一個(gè)“穿墻俠”，能夠輕松穿透很多物質(zhì)。這是因?yàn)橹凶硬粠щ姾?，所以它不?huì)被原子核周圍的電子排斥，可以直接“看”到原子核的位置。正是因?yàn)檫@些獨(dú)特的“超能力”，中子成為了探索材料微觀世界的理想“偵探工具”。

作為材料基因組的核心裝置，深圳建設(shè)了高壓中子譜儀與高分辨高通量中子粉末衍射譜儀。

“高壓中子譜儀就是用中子去測量材料在極端條件下的結(jié)構(gòu)變化，當(dāng)一束中子射線穿過材料時(shí)，中子會(huì)與原子核相互作用發(fā)生散射。通過檢測這些散射的中子，我們可以推斷出材料內(nèi)部的原子排列和結(jié)構(gòu)?！表n松柏表示，而高分辨中子衍射譜儀的“高分辨”意味著可以提供更為精確的結(jié)構(gòu)信息，就像用高倍放大鏡看東西一樣。

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三塊關(guān)鍵“拼圖”服務(wù)原始創(chuàng)新

2025年1月，總投資7.1億元的深圳市材料基因組大科學(xué)裝置平臺(tái)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目——高壓中子譜儀與高分辨高通量中子粉末衍射譜儀通過工藝驗(yàn)收，巧妙地將高通量材料計(jì)算設(shè)計(jì)、高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及材料數(shù)據(jù)庫這三塊關(guān)鍵“拼圖”緊密結(jié)合，構(gòu)建起一個(gè)跨學(xué)科的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。

中國科學(xué)院院士、深圳材料基因組大科學(xué)裝置項(xiàng)目負(fù)責(zé)人俞書宏院士表示，大科學(xué)裝置平臺(tái)秉持開放共享的理念，面向全國各高校、科研院所以及企事業(yè)單位開放服務(wù)，緊密圍繞國家重大需求，聚焦能源與環(huán)境、電子信息、生物醫(yī)藥、航空航天、仿生材料等關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，全力突破“卡脖子”技術(shù)難題，助力國家科技進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展邁上新臺(tái)階。

韓松柏所帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)就是這個(gè)大科學(xué)設(shè)施的首批受益者。

當(dāng)前，新能源汽車市場滲透率不斷提升，固態(tài)電池技術(shù)成為了行業(yè)技術(shù)升級(jí)的重點(diǎn)方向，以進(jìn)一步提升安全性能與續(xù)航能力。近年來，在南方科技大學(xué)的深圳市固態(tài)電池研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，韓松柏帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)立足材料基因組，找到了固態(tài)電解質(zhì)的“新配方”。

“我們研發(fā)出一種全新的固態(tài)電解質(zhì)非晶材料，即便是在零下60攝氏度的環(huán)境下也能夠保持比較好的電導(dǎo)率。通過平臺(tái)的高通量計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，科研團(tuán)隊(duì)成功篩選出幾種具有高離子導(dǎo)電率和良好穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)材料，大大加快了全固態(tài)電池的研發(fā)進(jìn)度，同時(shí)，利用密度泛函理論和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)數(shù)百萬種潛在的材料體系進(jìn)行快速篩選和性能預(yù)測，大幅縮短了初期材料選擇的時(shí)間?！表n松柏說。

目前，深圳材料基因組設(shè)施平臺(tái)正在進(jìn)行試運(yùn)行，在一年多的時(shí)間里已為用戶提供中子衍射測試及高通量計(jì)算機(jī)時(shí)等服務(wù)，完成樣品測試600余個(gè)，累計(jì)服務(wù)華為、寧德時(shí)代、弗迪電池、新宙邦等企業(yè)，覆蓋清華大學(xué)、北京大學(xué)、南方科技大學(xué)、深圳大學(xué)、中科院物理所、中科院金屬所等多家高校與科研院所。

對(duì)接前沿科研需求，這座大科學(xué)裝置加速了高熵合金的設(shè)計(jì)與發(fā)現(xiàn)。國內(nèi)某高?？蒲袌F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人表示，高熵合金通常由五種或更多種等摩爾或接近等摩爾比例的元素組成，展現(xiàn)出獨(dú)特的化學(xué)、物理和機(jī)械性能，傳統(tǒng)的試錯(cuò)法來探索高熵合金的巨大組分空間幾乎是不可能的。材料基因組裝置通過機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用人工智能加速新材料的發(fā)現(xiàn)，為材料科學(xué)的發(fā)展帶來了深刻變革。

在粵港澳大灣區(qū)合作方面，深圳的材料基因組裝置還與位于東莞松山湖科學(xué)城的中國散裂中子源達(dá)成合作，成功研制中國首臺(tái)真三軸壓機(jī)打破國外封鎖。通過開展先進(jìn)電池、清潔能源、生物仿生、電子信息等材料研究，該平臺(tái)推動(dòng)“首次證實(shí)氧還原活性材料中存在負(fù)熱膨脹行為”“首次解析貽貝鉸鏈組織的抗疲勞特性”“首次發(fā)現(xiàn)新型氯氮化物非晶全固態(tài)電解質(zhì)”等原創(chuàng)性進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》等國際頂級(jí)期刊上。

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深入對(duì)接戰(zhàn)新產(chǎn)業(yè)加速成果轉(zhuǎn)化

深入對(duì)接深圳“20+8”產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展需求，深圳材料基因組大科學(xué)裝置通過其高通量計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)和材料數(shù)據(jù)庫的集成優(yōu)勢，在成果轉(zhuǎn)化中展現(xiàn)出顯著價(jià)值。

提高研發(fā)效率、縮短研發(fā)周期和降低成本，材料基因組技術(shù)將有力推動(dòng)深圳在多個(gè)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)內(nèi)取得突破，其中包括動(dòng)力電池、光伏、儲(chǔ)能材料等新能源領(lǐng)域，植入式醫(yī)療器械的生物相容性材料、用于組織再生和修復(fù)的組織工程材料等高端醫(yī)療器械生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，5G通信、人工智能芯片半導(dǎo)體材料等新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，航空航天、高端裝備制造等產(chǎn)業(yè)中的高性能結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域……

“深圳市材料基因組大科學(xué)裝置平臺(tái)落地光明科學(xué)城，2026年正式開放運(yùn)行，充分體現(xiàn)了深圳對(duì)科技創(chuàng)新，特別是新材料領(lǐng)域前瞻性布局的決心和能力?！表n松柏說。

在他看來，深圳逐步建立起高效且完善的成果轉(zhuǎn)化機(jī)制，材料基因組大科學(xué)裝置設(shè)計(jì)的初衷就是為了實(shí)現(xiàn)“計(jì)算-實(shí)驗(yàn)-數(shù)據(jù)”的閉環(huán)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。這意味著從材料設(shè)計(jì)、性能預(yù)測、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證到數(shù)據(jù)積累和模型優(yōu)化，整個(gè)研發(fā)鏈條都可以在一個(gè)協(xié)同的環(huán)境中高效運(yùn)行。“材料基因工程本身就是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，融合了材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能等多個(gè)領(lǐng)域，深圳能夠有效地整合這些多元知識(shí)，形成強(qiáng)大的協(xié)同創(chuàng)新能力?！?/p>

連通研發(fā)端與產(chǎn)業(yè)端，材料基因組已經(jīng)成為驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新的重要加速器，如何運(yùn)行好這座大科學(xué)裝置成為下一步的課題。韓松柏表示，國內(nèi)大科學(xué)裝置過去重建設(shè)、輕運(yùn)行，建設(shè)階段高投入，而在運(yùn)行階段并未能發(fā)揮出最佳效能，深圳未來要充分立足科研與產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境的良好生態(tài)系統(tǒng)，最大程度發(fā)揮好材料基因組大科學(xué)裝置的重要作用。

研究現(xiàn)狀

材料基因組成為新材料發(fā)現(xiàn)加速器

材料基因研究主要面向的問題是加速新材料的發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化材料性能、提高材料研發(fā)效率、縮短研發(fā)周期以及降低成本。這一跨學(xué)科領(lǐng)域旨在通過整合計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)科學(xué)，克服傳統(tǒng)“試錯(cuò)法”在新材料開發(fā)過程中耗時(shí)耗力的局限性。記者了解到，從全球前沿研究布局情況看，材料基因組科研大設(shè)施發(fā)揮著重要作用。

在研究現(xiàn)狀方面，國內(nèi)外均已在材料基因領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。國際上，以美國材料基因組計(jì)劃為代表，建立了多個(gè)材料基因相關(guān)研究平臺(tái)，主要聚焦于構(gòu)建材料大數(shù)據(jù)和開發(fā)高通量計(jì)算技術(shù)。例如，美國Materials Project數(shù)據(jù)庫已成為全球材料科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)設(shè)施，它提供了大量的計(jì)算材料數(shù)據(jù)，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件工具和在線應(yīng)用程序，以自動(dòng)化材料計(jì)算和性質(zhì)識(shí)別等任務(wù)，極大地推動(dòng)了材料信息學(xué)的發(fā)展。此外，歐盟提出了“新材料發(fā)現(xiàn)NOMAD”計(jì)劃，德國推出了工業(yè)4.0戰(zhàn)略，俄羅斯推出了“2030年前材料與技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略”。

國內(nèi)材料基因研究呈現(xiàn)“一南一北”雙向布局，除了深圳光明科學(xué)城，在北京懷柔科學(xué)城，材料基因組研究平臺(tái)是該科學(xué)城的重要組成部分，上述平臺(tái)依托中國科學(xué)院物理研究所的建制化科研優(yōu)勢，旨在通過“材料基因工程”理念，集材料計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理、高通量材料合成與表征、高通量技術(shù)研發(fā)等功能于一體，為企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)提供新材料探索、共性技術(shù)研發(fā)、分析測試等科技服務(wù)。

兩處大科學(xué)裝置協(xié)同服務(wù)國家材料科學(xué)發(fā)展，它們通過整合高通量計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)和材料數(shù)據(jù)庫，形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)的、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算預(yù)測指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方向，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和完善計(jì)算模型，所有信息都匯聚到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行學(xué)習(xí)和挖掘，從而極大地加速了新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。

建設(shè)歷程

深圳材料基因組大科學(xué)裝置平臺(tái)

●2011年

中國工程院和中國科學(xué)院召開香山科學(xué)會(huì)議，提出建設(shè)“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”

●2012年

中國工程院啟動(dòng)材料基因組計(jì)劃重大咨詢研究項(xiàng)目

●2016年

“材料基因工程”被列為“十三五”第一批優(yōu)先啟動(dòng)的國家重點(diǎn)專項(xiàng)之一，同年啟動(dòng)“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺(tái)”重點(diǎn)專項(xiàng)

●2018年

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)——材料基因工程技術(shù)與支撐平臺(tái)重點(diǎn)專項(xiàng)11個(gè)項(xiàng)目，安排國撥經(jīng)費(fèi)總概算為2.20億元

●2018年

深圳立項(xiàng)建設(shè)“深圳材料基因組工程大科學(xué)裝置”，總投資7.1億元

●2019年

深圳材料基因組大科學(xué)裝置平臺(tái)設(shè)施可行性研究報(bào)告批復(fù)

●2020年

深圳正式開始材料基因組大科學(xué)裝置平臺(tái)建設(shè)工作

●2025年

深圳市材料基因組大科學(xué)裝置平臺(tái)通過工藝驗(yàn)收，為正式開放運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。