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『中国科学报』助力“中国牌”晶态材料再攀高峰


——记国家自然科学基金重大研究计划“功能导向晶态材料的结构设计和可控制备”
编者按
新材料的发明和应用是人类社会文明发展的里程碑 。 人类在新材料和新技术的研究中 ， 一直期望发展新理论来指导设计和定向制备具有某种特定功能的新材料 ， 以缩短新材料的研制周期 ， 满足国家经济的长期发展战略需求 。
作为我国“老字号”的优势领域 ， 长期以来 ， 我国依靠已有基础 ， 在非线性晶体材料的结构设计和晶体生长等方面保持国际领先地位 。
2009年起 ， 国家自然科学基金重大研究计划“功能导向晶态材料的结构设计和可控制备”启动 ， “中国牌”晶体再度领跑世界 。
■本报见习采访人员 程唯珈
上世纪80年代 ， 我国科学家在硼酸盐体系中相继发现了偏硼酸钡（BBO）和三硼酸锂（LBO）这两种在非线性光学领域影响深远的“中国牌”晶体 ， 2001年又研制出全球独一无二的氟代硼铍酸钾晶体（KBBF） ， 突破了国际激光界长期以来的“200纳米壁垒” 。 晶态材料 ， 向来是我国“老字号”的优势领域 。
可以说 ， 非线性光学晶体原创研究领先了欧美等发达国家数十年 ， 而中国在该领域的持续创新并未停止 。
2009年起 ， 在中国科学院院士、中国科学院福建物质结构研究所研究员洪茂椿等多位专家的倡导下 ， 国家自然科学基金重大研究计划“功能导向晶态材料的结构设计和可控制备”启动 。
2019年结束时 ， 洪茂椿指出：“该研究计划对发展新理论来指导设计和定向制备具有某种特定功能的新材料 ， 以缩短新材料的研制周期 ， 满足国家经济的长期发展战略需求是十分必要的 。 ”
“中国牌”晶体面临挑战
从远古的石器时代、青铜器时代、铁器时代到半导体时代、信息时代 ， 材料的发展推动了人类社会和文明的进步 。
在材料科学研究中 ， 晶态材料是固态材料的主体 。 其主要特征是结构有序稳定 ， 本征特性多样、物理内涵丰富、构效关系明确、易于复合调控等 ， 可以实现功能导向的结构设计、化学合成和材料制备 ， 获得所需应用特性的材料和器件 ， 在众多领域发挥着重要作用 。
经过几代人的努力 ， 由我国科学家发明的具有自主知识产权的BBO、LBO、KBBF等高性能非线性晶体材料及器件享誉世界 。
长期以来 ， 我国依靠已有的基础 ， 在非线性晶体材料的结构设计和晶体生长等方面保持着国际领先地位 。 但随着国际竞争加剧 ， 晶态材料成为世界各国战略必争的领域 ， 西方发达国家政府加大支持力度 ， 如日本在晶态材料领域设立长期优先资助计划 ， 欧盟设立基于性能导向的晶态材料优先研究领域……
一时间 ， 我国在晶态材料领域特别是非线性光学材料领域的国际领先优势受到多方面挑战 。
“由于基础研究缺乏持续支持 ， 导致我国晶态材料研究的原创性不足 ， 具有我国自主知识产权的新型功能材料较少 ， 跟踪研究较多 ， 高技术产业对国外技术的依赖性强 ， 这极大地影响了国家整体的竞争能力 ， 特别是在高科技领域受到西方发达国家的制约极为明显 。 ”洪茂椿介绍 。
他表示 ， 国家自然科学基金委员会成立伊始 ， 就为支持“中国牌”系列晶体的理论和设计方法的研究起到了关键作用 。 时隔几十年 ， 自然科学基金委再度给予了这一“老字号”品牌强有力的支持 。
稳定支持8年来 ， 科学家取得一系列研究成果 。 包括发现晶态材料的光、电、磁及其复合性能与空间结构以及电子结构之间的内在关系规律 ， 揭示决定晶态材料宏观功能的结构基元及其在空间的集成方式 ， 为实现功能导向晶态材料的设计和制备提供理论基础 。
通过该重大研究计划 ， 我国自主研发的晶态材料越来越多地登上国际舞台 。 例如 ， 非线性光学晶体材料领域发展了原子极化轨道响应与功能基元协同效应新型非线性光学（NLO）理论 ， 研究论文数量和质量逐年提升 ， 在国际上率先发现一批新型深紫外非线性光学晶体材料 。 2019年该领域中国发表的论文数量占全球论文数的45％ 。 2009~2019年在该领域ESI高被引高端论文中 ， 中国科学家发表了41篇 ， 占全部ESI高被引论文数（118篇）的35% ， 居全球首位 ， “中国牌”晶体再次领跑世界 。


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