深圳:用好中子穿墙侠 探索微观大世界

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”。

高压中子谱仪。

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。

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。

高分辨高通量中子粉末衍射谱仪测试室。 受访单位供图

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。

韩松柏所带领的科研团队就是这个大科学设施的首批受益者。

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”。

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。

深入对接深圳“20+8”产业集群发展需求，深圳材料基因组大科学装置通过其高通量计算、高通量实验和材料数据库的集成优势，在成果转化中展现出显著价值。

提高研发效率、缩短研发周期和降低成本，材料基因组技术将有力推动深圳在多个战略性新兴产业内取得突破，其中包括动力电池、光伏、储能材料等新能源领域，植入式医疗器械的生物相容性材料、用于组织再生和修复的组织工程材料等高端医疗器械生物医用材料领域，5G通信、人工智能芯片半导体材料等新一代信息技术产业领域，航空航天、高端装备制造等产业中的高性能结构材料领域……

在他看来，深圳逐步建立起高效且完善的成果转化机制，材料基因组大科学装置设计的初衷就是为了实现“计算-实验-数据”的闭环创新网络。这意味着从材料设计、性能预测、实验验证到数据积累和模型优化，整个研发链条都可以在一个协同的环境中高效运行。“材料基因工程本身就是多学科交叉的产物，融合了材料科学、物理学、化学、计算机科学和人工智能等多个领域，深圳能够有效地整合这些多元知识，形成强大的协同创新能力。”

连通研发端与产业端，材料基因组已经成为驱动创新的重要加速器，如何运行好这座大科学装置成为下一步的课题。韩松柏表示，国内大科学装置过去重建设、轻运行，建设阶段高投入，而在运行阶段并未能发挥出最佳效能，深圳未来要充分立足科研与产业发展环境的良好生态系统，最大程度发挥好材料基因组大科学装置的重要作用。

材料基因研究主要面向的问题是加速新材料的发现、优化材料性能、提高材料研发效率、缩短研发周期以及降低成本。这一跨学科领域旨在通过整合计算、实验和数据科学，克服传统“试错法”在新材料开发过程中耗时耗力的局限性。记者了解到，从全球前沿研究布局情况看，材料基因组科研大设施发挥着重要作用。

在研究现状方面，国内外均已在材料基因领域取得了显著进展。国际上，以美国材料基因组计划为代表，建立了多个材料基因相关研究平台，主要聚焦于构建材料大数据和开发高通量计算技术。例如，美国Materials Project数据库已成为全球材料科学研究的重要基础设施，它提供了大量的计算材料数据，并开发了相应的软件工具和在线应用程序，以自动化材料计算和性质识别等任务，极大地推动了材料信息学的发展。此外，欧盟提出了“新材料发现NOMAD”计划，德国推出了工业4.0战略，俄罗斯推出了“2030年前材料与技术发展战略”。

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。