习近平总书记指出：“新材料产业是战略性、基础性产业，也是高技术竞争的关键领域，我们要奋起直追、迎头赶上。”新材料是新一轮科技革命和产业变革的先导与基石，在推动技术创新、培育和发展新质生产力、维护国家安全等方面发挥着不可替代的保障支撑作用。为实现我国新材料科技和产业从“跟跑”“并跑”再到“领跑”的跨越，迫切需要大力开展“1→0”反向基础研究，通过对已经突破核心指标、实现装备应用的研究成果进行“刨根问底”，探究技术瓶颈背后的核心科学问题，抢占新材料创新制高点，加快推进高水平科技自立自强。
一、材料科学“1→0”研究的理论内涵与实践价值
在材料科学“1→0”反向基础研究范式中，“1”代表具有工程应用价值的阶段性成果，涵盖材料性能突破与制备技术革新两大核心维度。具体表现为：材料在特定服役条件下达成预设性能指标，实现工程化应用或型号列装，或是开发出具备工业化生产潜力的新型制备工艺。而“0”特指支撑上述成果的基础科学内核，涉及材料在原子及微纳尺度的构筑机制、合成加工过程中的物理化学演变规律，以及超高维度下材料构效关系的本质溯源。这一范式强调基于逆向工程思维，结合多尺度表征与理论计算手段，系统解析材料科学问题，深度揭示制约材料性能与应用边界的核心科学内涵与物理机制，为材料科学发展提供理论支撑与创新驱动力。
1.强化原始创新能力。当前我国材料科学领域原始创新效能不足，其核心症结在于对基础科学问题的研究深度与系统性尚显薄弱。通过“1→0”研究，引导科研人员对基本原理进行再审视与再解析，从而为材料设计理论创新及制备技术突破提供新的认知路径。以能源转化材料研究为例，基于现有光电催化突破成果和现实需求，通过系统研究半导体材料原子结构、电子传输微观行为及其光电耦合作用机制，有望建立新的光电转换新模型和新路径。这一研究思路的应用将显著提升我国在能源转化领域的基础研究自主性。
2.突破材料性能极限。材料性能提升面临的技术瓶颈本质上源于对材料成分—结构—组织—性能关系认知的局限性。这一局限性的物理本质在于材料结构与性能关系是一个超高维度下的跨时空尺度问题。通过开展多尺度结构演化与性能调控机制的交叉研究，有助于揭示材料性能调控的新维度与新规律。以高熵合金强塑设计为例，基于现有增材制造特征组织在高熵合金强韧化方面的优异效果，深入挖掘位错组态对强度与塑性的内在作用机制，能够突破位错强化必然损害塑性的传统强化理论边界，为新型金属材料性能优化提供全新途径。这将从原理上拓展金属材料的性能极限，推动特种超强高塑结构材料的迭代升级。
3.提升战略材料自主保障能力。关键战略材料的自主可控是维护国家产业安全与国防安全的重要基石。针对我国在空天飞行器关键热结构碳/碳复合材料的技术短板，通过大数据驱动的材料设计模型和先进的制备方法与原理研究，系统解析碳/碳复合材料微观结构—力学性能—耐高温性能的构效关系，突破预制体按需设计、碳基体织构精细调控、界面强韧化控制和抗氧化烧蚀涂层制备等核心技术环节，有助于打造自主可控的耐极端环境高性能碳基复合材料技术体系，显著增强我国空天产业链与供应链的稳定性和抗风险能力。
二、新材料领域“1→0”研究的主要挑战和实施路径
（一）主要挑战
材料科学“1→0”反向基础研究的核心瓶颈之一在于“0”的问题归纳凝练或定位不准。这一瓶颈的物理内涵在于低维度的材料性能向超高维度材料结构空间的反向映射。如何在超高维度空间下精准识别出决定材料性能的本征物化规律是决定“0”的问题研究成败的关键，同时也是在“0”的问题上反向突破“1”的问题的机遇所在。
1.超高维跨尺度材料结构-性能关系的破译难题。材料体系的本征性能由原子/分子、纳米、介观至宏观等多尺度结构协同决定，构建超高维跨尺度定量构效关系已成为材料科学基础研究的核心挑战。在“1→0”原始创新研究范式中，从宏观性能反演关键微观结构，亟需多尺度表征技术与理论模拟方法的深度集成。然而，当前在跨尺度信息传递机制解析、超高维空间降维及关键物理规律挖掘及多物理场耦合效应建模等方面仍存在显著技术瓶颈。特别是原子尺度缺陷演化与宏观力学响应之间的非线性映射关系，尚未形成完整的理论框架与实验验证体系。
2.实验表征与理论计算的协同困境。解析“1→0”关键科学问题依赖高时空分辨实验技术与多尺度理论计算方法的深度融合。当前实验手段在原子级晶格畸变动态监测、超快相变过程原位追踪等方面存在空间分辨率与时间灵敏度的双重限制；而理论计算方面，第一性原理方法难以精确处理复杂体系中的强电子关联问题，分子动力学模拟在时间尺度上难以覆盖微观过程向宏观行为演化的全周期，导致多尺度建模的预测能力有限。实验观测与理论模拟在时空尺度覆盖、物理机制描述等方面的错位，成为制约材料科学基础研究范式变革的重要瓶颈。
（二）实施路径
1.深化多学科创新交叉融合。新材料研发呈现出鲜明的学科交叉特征，高度依赖物理学、化学、生物学、数学及计算机科学等学科的深度融合。从理论层面看，量子力学的能带理论为材料电子结构解析提供基础，化学分子工程学指导材料构筑单元设计，仿生生物学启发材料微观结构优化，而人工智能技术的高维表达与泛化能力则助力材料超高维空间建模与隐含物理规律的挖掘。这种多维度研究范式通过整合不同学科的理论框架与技术手段，能够实现对材料科学基础问题的系统性突破。在组织架构层面，跨学科协同创新团队将成为开展前沿研究的核心载体，通过构建知识共享与技术集成机制，推动学科交叉领域的原创性成果产出。
2.加快向数据驱动与智能研究范式转型。伴随高通量实验与第一性原理计算技术的发展，材料科学研究已进入大数据时代。人工智能在科学研究领域最大的优势便是其强大的高维空间数学表达能力与基于有限先验信息的泛化能力，而这正是材料科学传统研究范式所面临的瓶颈。人工智能与材料科学研究的融合，不仅有助于超高维下“0”的问题的定位与最终解决，也将大幅提升“1”的问题的反向突破。人工智能算法通过机器学习模型对海量实验数据与理论计算结果进行深度挖掘，能够有效解析材料结构—性能—制备工艺之间的非线性关系，突破材料研发的尺度壁垒与“维度灾难”难题，实现新材料性能预测与合成路径的精准设计。
3.加强新材料“1→0”研究的有组织协同。对于定向性的基础研究，如果没有组织就是一盘散沙，靠单打独斗难以长期坚持。要强化科研团队的有组织协同创新，进行分类评价改革，推动科研力量和资源优化配置，提升协同攻关能力。同时，应推动政府、高校、科研机构、企业等创新主体之间搭建协同合作网络，通过建设新材料研发示范平台、设立“1→0”研发基金等方式，共同推动解决新材料基础研究的共性问题。
三、材料学院推进“1→0”研究的实践探索
发挥科研团队集智攻关优势是材料学院科技创新发展的“传家宝”。学院多次组织召开团队研讨会，分析研究团队发展现状和存在的问题，以“强强联合”“交叉融合”“资源聚合”，加快建设高水平科研团队，有组织推进“1→0”反向基础研究，持续强化原始创新能力。
强强联合。学院以新一轮聘岗为契机，坚持做好“特色”大文章，对传统优势方向科研团队进行整合，完善学科方向内部“基础-工程-应用”的队伍结构配置模式，打造科研集成优势，以高效内循环增强协作效能。2024学院发表Nature Chemistry1篇、Nature Communications 8篇。
交叉融合。建立国家战略需求牵引的跨方向、跨团队联合攻关机制，围绕国家重点研发项目、国家自然基金委重大重点项目以及各类型号项目，打好基础研究和工程应用双向发力、协同发展的“组合拳”。2024年，学院获批国家自然科学基金50项，其中重点类项目6项；牵头获批国家重点研发计划项目6项；专利转移转化金额4147万元，孵化2家高新技术企业，新增1家上市企业。
资源聚合。立足“国防、三航、系统”特色，围绕“方向—队伍—平台—项目—成果”五位一体创新链条，与成飞、中航重机等大院大所构建以科研项目联合攻关为基础的系统、全面合作体系，合作成立12个校企联合实验室，激活特色发展的“源头活水”。2024年学院科研经费到款再创历史新高；新增中国-哈萨克斯坦材料基因工程与智能科学“一带一路”联合实验室，成功重组凝固技术全国重点实验室，获国家技术发明奖二等奖1项、陕西省自然科学一等奖2项、陕西省技术发明一等奖2项、陕西省国际科学技术合作奖1项。
（文字：付前刚；审核：马西平）
