關于發(fā)布功能基元序構(gòu)的高性能材料基礎研究重大研究計劃2024年度項目指南的通告

國家自然科學基金委員會現(xiàn)發(fā)布功能基元序構(gòu)的高性能材料基礎研究重大研究計劃2024年度項目指南，請申請人及依托單位按項目指南所述要求和注意事項申請。

國家自然科學基金委員會

2024年9月5日

 

功能基元序構(gòu)的高性能材料基礎研究重大研究計劃2024年度項目指南

　　功能基元序構(gòu)的高性能材料是指以功能基元為基本單元，通過空間序構(gòu)獲得具有突破性和變革性性能的新材料。“功能基元”是指在原子/分子尺度和宏觀尺度之間引入具有特定功能的中間結(jié)構(gòu)單元，“序構(gòu)”是指“功能基元”通過人工設計制造而成的特定的空間堆垛、排列方式，如有序結(jié)構(gòu)、長/短程有序結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)等。功能基元序構(gòu)的高性能材料可以突破元素種類的限制，為設計和發(fā)展具有突破性和變革性性能的關鍵新材料拓展了更大的空間。

一、科學目標

本重大研究計劃瞄準世界材料科學前沿和國家對具有變革性性能的結(jié)構(gòu)材料、信息材料和能源材料的重大需求，聚焦中國學者提出的“功能基元-序構(gòu)-變革性性能”材料研究新范式，聚焦創(chuàng)建若干種具有世界影響力的中國品牌關鍵新材料，研究其中的關鍵科學問題與技術問題，揭示功能基元序構(gòu)材料中蘊含的規(guī)律，建立相應的理論；發(fā)展材料設計的新原理和先進制備技術，逐步實現(xiàn)按需設計具有突破性和變革性性能的新材料。通過本重大研究計劃的實施，提高我國在國際材料科學前沿的原始創(chuàng)新能力。

二、核心科學問題

本重大研究計劃將組織材料、信息、數(shù)理、化學等學科的科學家共同開展研究，擬解決的核心科學問題如下：

（一）功能基元的本征特性（如物理化學性質(zhì)、微納結(jié)構(gòu)、形態(tài)、尺寸、分布等）對宏觀性能的影響規(guī)律及其調(diào)控機理。研究功能基元的臨界尺寸效應和量子限域效應；功能基元（如鐵電疇、鐵磁疇、孿晶、組分、結(jié)構(gòu)、低維量子材料、人工諧振單元等）與材料宏觀性能（如力、熱、光、聲、電、磁）之間的關聯(lián)；發(fā)現(xiàn)和構(gòu)筑影響材料宏觀新奇物性的關鍵功能基元。

（二）序構(gòu)對材料宏觀性能優(yōu)化增強的作用規(guī)律。研究序構(gòu)（如有序結(jié)構(gòu)、長/短程有序結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)、無序結(jié)構(gòu)等）引發(fā)的功能基元間的耦合、增強效應；揭示序構(gòu)對材料宏觀性能的影響機制。

（三）功能基元序構(gòu)的協(xié)同關聯(lián)效應。揭示功能基元序構(gòu)的協(xié)同關聯(lián)作用機制；發(fā)現(xiàn)超越功能基元本身的高性能甚至全新的性能；闡明“功能基元+序構(gòu)”與宏觀性能的關聯(lián)；建立按需設計功能基元序構(gòu)的高性能材料的方法。

（四）功能基元序構(gòu)高性能材料的制備科學與表征技術。發(fā)展“自上而下”與“自下而上”制備功能基元序構(gòu)高性能新材料的方法與技術；發(fā)展人工序構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)和性能表征技術。

三、2024年度資助的研究方向

根據(jù)總體布局，本重大研究計劃在前期研究的基礎上，2024年聚焦以下兩個目標部署集成項目：一是逐步創(chuàng)立中國學者提出的“功能基元-序構(gòu)-變革性性能”材料研究新范式，研究其中的關鍵科學問題并取得突破；二是通過材料研究新范式，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)、信息和能源領域急需且具有國際影響力的中國品牌關鍵新材料。鼓勵前期在本重大計劃研究中取得重要進展且研究方向相近、研究力量具有互補優(yōu)勢的項目團隊聯(lián)合申請集成項目，充分發(fā)揮學科交叉優(yōu)勢，協(xié)同攻關，取得具有國際影響力的重大標志性成果。本年度資助的研究方向如下：

（一）材料研究新范式的理論體系構(gòu)建。

圍繞“功能基元-序構(gòu)-變革性性能”的構(gòu)效關系與突現(xiàn)性，新范式的數(shù)理方法與變革性新材料逆向設計方法，擬資助集成項目數(shù)3-4項，直接費用資助強度300-500萬元/項。

1. “功能基元-序構(gòu)-變革性性能”的構(gòu)效關系與突現(xiàn)性。

基于重大研究計劃的前期研究積累，特別是梯度序構(gòu)納米金屬、多級片層序構(gòu)高溫輕合金、序構(gòu)塑性陶瓷和序構(gòu)能源轉(zhuǎn)換材料等重大代表性研究成果，開展“功能基元-序構(gòu)-變革性性能”材料研究范式的理論體系構(gòu)建。結(jié)合基元序構(gòu)新材料的可控制備研究，發(fā)現(xiàn)定量描述序構(gòu)效應的關鍵序構(gòu)特征參量，發(fā)展序構(gòu)設計準則和理論；通過優(yōu)化跨尺度空間序構(gòu)設計，增強基元間“1+1>2”的協(xié)同耦合效應，揭示基元序構(gòu)耦合導致的突現(xiàn)性及其微觀機理；建立功能基元特征尺寸、空間序構(gòu)與強度、塑性、疲勞斷裂等宏觀力學使役性能、電與熱輸運等宏觀物性及其自旋量子特性之間的構(gòu)效關系，探究序構(gòu)參量對變革性性能的影響機制與規(guī)律；闡明基元與序構(gòu)的跨層級交互作用、演化規(guī)律和突現(xiàn)性特征。

2.?功能基元序構(gòu)新材料的逆向設計新范式。

建立材料作為復雜體系的數(shù)理描述基礎，闡明基元序構(gòu)與相互耦合的微觀層次多參量之間的關聯(lián)。建立基元序構(gòu)和功能特性的數(shù)理表述，實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)、能量及功能特性的跨尺度結(jié)構(gòu)特征的定量表述；在實現(xiàn)功能基元物理性質(zhì)定量化的基礎上，結(jié)合人工智能算法，解決序構(gòu)的描述符及其與材料功能性質(zhì)關系的定量表述；發(fā)展和建立基于功能基元與序構(gòu)的多尺度材料設計理論和方法。結(jié)合材料科學與復雜體系研究，探究材料性能突現(xiàn)性的微觀機制，實現(xiàn)新材料的結(jié)構(gòu)生成和構(gòu)筑方法(包含基元和序構(gòu)的構(gòu)建)的突破。逐步建立“功能基元-序構(gòu)-變革性性能”范式的逆向設計方法。

（二）基于功能基元序構(gòu)的重大前沿結(jié)構(gòu)材料。

聚焦具有重大應用前景的兩種前沿結(jié)構(gòu)材料，創(chuàng)制中國品牌的序構(gòu)塑性陶瓷和序構(gòu)高溫輕合金，擬資助集成項目數(shù)不超過2項，直接費用平均資助強度不超過1200萬元/項。

1.?序構(gòu)塑性陶瓷。

針對陶瓷沒有室溫塑性限制其重大工程應用的歷史性難題，發(fā)展具有室溫塑性的序構(gòu)陶瓷。研究陶瓷中功能基元與序構(gòu)的形成規(guī)律；研究序構(gòu)陶瓷中決定塑性和強度的物理機制、規(guī)律和調(diào)控參數(shù)；研究共格序構(gòu)、轉(zhuǎn)角序構(gòu)和能量耦合關系；闡明基元、序構(gòu)方式與強塑性的構(gòu)效關系。獲得室溫下具有良好塑性變形能力的大尺寸陶瓷塊材，實現(xiàn)室溫壓縮總應變＞10%，塑性應變≥5%，抗彎強度＞200MPa。

本方向的重大應用場景是面向序構(gòu)塑性陶瓷在航空航天關鍵構(gòu)件、高端自潤滑軸承等重大工程的應用。

2.?序構(gòu)高溫輕合金。

通過功能基元多級序構(gòu)，攻克鈦鋁合金室溫脆性大、高溫長時承載能力低等技術難題，揭示多級序構(gòu)高溫輕合金大尺寸生長原理和規(guī)律，獲得高強高韌多級序構(gòu)輕合金材料。大尺寸序構(gòu)高溫輕合金性能達到：材料密度約為4.0~4.2g/cm³，材料直徑＞30mm，室溫屈服強度＞800MPa，室溫伸長率＞10%，1000℃屈服強度＞400MPa。

本方向的重大應用場景是面向空天動力裝備等重大工程應用。

（三）序構(gòu)關鍵戰(zhàn)略功能晶體和太赫茲材料。

本方向聚焦具有重大應用前景的兩種前沿信息材料，創(chuàng)制中國品牌的序構(gòu)關鍵戰(zhàn)略功能晶體和序構(gòu)太赫茲高性能材料及器件。擬資助集成項目數(shù)不超過2項，直接費用平均資助強度不超過1200萬元/項。

1.?序構(gòu)關鍵戰(zhàn)略功能晶體。

研究和發(fā)展更短波長、更高功率的序構(gòu)非線性光學晶體和序構(gòu)紅外激光晶體。研究超快激光與非線性晶體的互作用機制、設計制備序構(gòu)晶體，研究非線性功能基元的尺寸效應、周期和準周期序構(gòu)及其中光子-光子耦合規(guī)律、有序/無序功能基元界面的頻率轉(zhuǎn)換規(guī)律，發(fā)展精準可控的功能基元制備與加工技術，研制周期序構(gòu)、準周期序構(gòu)、二維周期序構(gòu)的功能晶體，進一步縮短激光波長，提升激光輸出功率，實現(xiàn)激光波長≤150nm，輸出功率≥1mW。研究序構(gòu)激光晶體中功能基元的電子-聲子耦合強度、多聲子耦合調(diào)控機制、多級序構(gòu)激光諧振腔的設計原理，發(fā)展3-5μm波段介質(zhì)多級序構(gòu)的加工與制備技術，研制功能基元序構(gòu)的中紅外激光晶體，實現(xiàn)熒光光譜之外的可調(diào)諧激光輸出，減小激光器體積，提高中紅外激光輸出功率和效率，達到激光波長3~5μm，輸出功率≥1W。

本方向的重大應用場景是面向國家重大需求的光源，如ARPES光電子能譜儀光源、229Th核鐘激光光源等。

2.?序構(gòu)太赫茲高性能材料及器件。

面向高速度、長距離太赫茲通信系統(tǒng)的關鍵戰(zhàn)略需求，突破功率限制，研究自由電子功能基元的太赫茲輻射效應、非線性功能基元的太赫茲波調(diào)控機制、太赫茲輻射源的多級序構(gòu)耦合規(guī)律以及提高太赫茲探測器件的靈敏度的機制，實現(xiàn)輸出功率≥50 mW @0.66-1 THz；太赫茲調(diào)制速度≥100Gbps；太赫茲峰值探測率~10⁹Jones；響應速度從ms量級提升至小于10ns@≥0.3THz。

本方向的重大應用場景是面向長距離太赫茲通信系統(tǒng)和高分辨成像。

（四）序構(gòu)高效能量轉(zhuǎn)換材料及器件。

本方向擬資助集成項目數(shù)1項，直接費用資助強度不超過1200萬元/項。

本方向針對下一代集成電路芯片的高效散熱、可穿戴設備無源供電、低品位分布式工業(yè)廢熱回收利用等對高性能熱電材料的重大需求，以及目前熱電材料性能難以滿足高效制冷與發(fā)電需求、無機熱電材料室溫沒有塑性及其可加工性差等突出問題，研究熱-電-力耦合功能基元和熱-電-磁耦合功能基元的本征特性、精細構(gòu)筑方法、基元-序構(gòu)-性能耦合關聯(lián)與變革性性能實現(xiàn)原理，獲得高熱電性能、高塑性、高柔性的新型能源轉(zhuǎn)換材料與器件。實現(xiàn)功能基元序構(gòu)的熱電材料近室溫zT值達到2.0；功能基元序構(gòu)的無機塑性熱電材料和有機柔性熱電材料的zT≥1.0、壓縮應變≥50%、彎曲應變≥20%，相應的薄膜熱電器件歸一化功率密度≥50 μW cm^?2?K^?2。

本方向的重大應用場景是面向下一代集成電路芯片高效散熱和工業(yè)廢熱高效回收利用技術。

四、項目遴選的基本原則

為確保實現(xiàn)總體科學目標，本重大研究計劃要求申請項目的研究內(nèi)容必須符合指南要求，圍繞“功能基元+序構(gòu)”的材料研究新范式，以獲得變革性性能新材料為研究導向，凝練其中的關鍵基礎科學問題，開展原創(chuàng)性研究。

（一）集成項目要突出“創(chuàng)立中國學者提出的材料研究新范式、創(chuàng)建具有國際影響力的中國品牌關鍵新材料”的目標導向，提出引領性的研究目標和核心指標。

（二）項目申請書中需要明確“功能基元”和“序構(gòu)”的科學內(nèi)涵，凝練“功能基元+序構(gòu)”產(chǎn)生新效應和變革性性能的關鍵科學技術問題，闡明通過“功能基元+序構(gòu)”的材料性能超越功能基元本身，實現(xiàn)變革性或顛覆性。

（三）前期已取得重要進展，具有扎實工作基礎，進一步聚焦解決核心科學問題并取得突破，體現(xiàn)對本重大研究計劃總體科學目標和解決核心科學問題的貢獻。

五、申請要求及注意事項

（一）申請條件。

本重大研究計劃項目申請人應當具備以下條件：

1.具有承擔基礎研究課題的經(jīng)歷；

2.具有高級專業(yè)技術職務（職稱）。

在站博士后研究人員、正在攻讀研究生學位以及無工作單位或者所在單位不是依托單位的人員不得作為申請人進行申請。

（二）限項申請規(guī)定。

執(zhí)行《2024年度國家自然科學基金項目指南》“申請規(guī)定”中限項申請規(guī)定的相關要求。

（三）申請注意事項。

申請人和依托單位應當認真閱讀并執(zhí)行本項目指南、《2024年度國家自然科學基金項目指南》和《關于2024年度國家自然科學基金項目申請與結(jié)題等有關事項的通告》中相關要求。

1. 本重大研究計劃項目實行無紙化申請。申請書提交日期為2024年10月8日－10月17日16時。

（1）申請人應當按照科學基金網(wǎng)絡信息系統(tǒng)中重大研究計劃項目的填報說明與撰寫提綱要求在線填寫和提交電子申請書及附件材料。

（2）本重大研究計劃將緊密圍繞核心科學問題，對多學科相關研究進行戰(zhàn)略性的方向引導和優(yōu)勢整合，成為一個項目集群。申請人應根據(jù)本重大研究計劃擬解決的核心科學問題和項目指南公布的擬資助研究方向，自行擬定項目名稱、科學目標、研究內(nèi)容、技術路線和相應的研究經(jīng)費等。

（3）申請書中的資助類別選擇“重大研究計劃”，亞類說明選擇“集成項目”，附注說明選擇“功能基元序構(gòu)的高性能材料基礎研究”，根據(jù)申請的具體研究內(nèi)容選擇相應的申請代碼。

項目申請書中研究期限應填寫“2025年1月1日－2027年12月31日”。

（4）申請人在申請書“立項依據(jù)與研究內(nèi)容”部分，應當首先說明申請符合本項目指南中的資助研究方向，以及對解決本重大研究計劃核心科學問題、實現(xiàn)本重大研究計劃科學目標的貢獻。

（5）如果申請人已經(jīng)承擔與本重大研究計劃相關的其他科技計劃項目，應當在申請書正文的“研究基礎與工作條件”部分論述申請項目與其他相關項目的區(qū)別與聯(lián)系。

（6）每個集成項目的合作研究單位不得超過4家。

2. 依托單位應當按照要求完成依托單位承諾、組織申請以及審核申請材料等工作。在2024年10月17日16:00時前通過信息系統(tǒng)逐項確認提交本單位電子申請書及附件材料，并于2024年10月18日16:00時前在線提交本單位項目申請清單。

3. 其他注意事項。

（1）為實現(xiàn)重大研究計劃總體科學目標和多學科集成，獲得資助的項目負責人應當承諾遵守相關數(shù)據(jù)和資料管理與共享的規(guī)定，項目執(zhí)行過程中應關注與本重大研究計劃其他項目之間的相互支撐關系。

（2）為加強項目的學術交流，促進項目群的形成和多學科交叉與集成，本重大研究計劃將每年舉辦一次資助項目的年度學術交流會，并將不定期地組織相關領域的學術研討會。獲資助項目負責人有義務參加本重大研究計劃指導專家組和管理工作組所組織的上述學術交流活動。

（四）咨詢方式。

國家自然科學基金委員會工程與材料科學部材料科學一處

聯(lián)系電話：010-62327144

 

? ? ?來源: 國家自然科學基金委員會

 

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