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)構(gòu)成具有突破性、顛覆性宏觀性能的高性能材料。“功能基元”是在原子/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)指人工設(shè)計制造的特定結(jié)構(gòu)單元堆垛、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)的材料可以突破元素種類的限制，為探索具有變革性和顛覆性的高性能材料提供了更大的空間。
一、科學(xué)目標(biāo)
本重大研究計劃瞄準(zhǔn)材料科學(xué)前沿，通過功能基元序構(gòu)構(gòu)建高性能新材料，滿足信息、結(jié)構(gòu)、能源和極端服役條件對材料的需求，解決其中的關(guān)鍵科學(xué)問題與技術(shù)問題，揭示功能基元序構(gòu)材料中蘊(yùn)含的規(guī)律，建立相應(yīng)的理論，發(fā)展材料設(shè)計的新原理和先進(jìn)制備技術(shù)，逐步實現(xiàn)按需設(shè)計變革性和顛覆性新材料的目標(biāo)，提高我國在材料科學(xué)領(lǐng)域的整體創(chuàng)新能力。
二、核心科學(xué)問題
本重大研究計劃將組織材料、信息、數(shù)理、化學(xué)等學(xué)科的科學(xué)家共同開展研究，擬解決的核心科學(xué)問題如下：
（一）功能基元的本征特性（如物理化學(xué)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(jī)理，關(guān)注功能基元的臨界尺寸效應(yīng)和量子限域效應(yīng),明確功能基元（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）與材料的宏觀性能（如力、熱、光、聲、電、磁）之間的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)和構(gòu)筑影響材料宏觀新奇物性的關(guān)鍵功能基元。
（二）序構(gòu)對材料宏觀性能優(yōu)化增強(qiáng)的作用規(guī)律。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(qiáng)效應(yīng)；明晰序構(gòu)影響材料宏觀性能的物理機(jī)制。
（三）功能基元序構(gòu)的協(xié)同關(guān)聯(lián)效應(yīng)。揭示功能基元序構(gòu)的協(xié)同關(guān)聯(lián)作用機(jī)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(guān)聯(lián)；建立按需設(shè)計功能基元序構(gòu)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(xué)與表征技術(shù)。發(fā)展“自上而下”、“自下而上”制備功能基元序構(gòu)高性能材料的新方法與新技術(shù)，發(fā)展人工序構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)和性能表征技術(shù)，探索其中獨特的科學(xué)問題。
三、2021年度重點資助研究方向
通過“功能基元+序構(gòu)”的研究思路發(fā)展以下材料設(shè)計理論、方法和高性能材料：
（一）功能基元序構(gòu)新材料的設(shè)計理論、方法和物理基礎(chǔ)。
聚焦功能基元序構(gòu)高性能材料的物理機(jī)制與變革性新材料設(shè)計的理論和方法：1）研究“功能基元—人工序構(gòu)—超越性能”三者之間關(guān)系的物理基礎(chǔ)，包括功能基元結(jié)構(gòu)和性能（力、熱、光、聲、電、磁等）的特征尺寸效應(yīng)、量子限域效應(yīng)等，基元之間的關(guān)聯(lián)和耦合效應(yīng)，序構(gòu)導(dǎo)致的合作、性能增強(qiáng)和突現(xiàn)性效應(yīng)等。探索功能基元序構(gòu)導(dǎo)致變革性材料的新規(guī)律和新方法。2)發(fā)展功能基元序構(gòu)變革性新材料的設(shè)計理論和方法，研究功能基元序構(gòu)高性能材料的系統(tǒng)性設(shè)計理論和方法，探索基于功能基元序構(gòu)的突破性和變革性新材料體系，發(fā)展功能基元序構(gòu)新材料逆向設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計的方法、軟件和數(shù)據(jù)庫等。
（二）下一代信息技術(shù)核心材料。
為滿足下一代5G-6G通訊系統(tǒng)等器件應(yīng)用的迫切需求，重點解決傳統(tǒng)太赫茲發(fā)射源器件中高頻率和高功率的矛盾，發(fā)展出基于“功能基元+序構(gòu)”的太赫茲波段的高效輻射及探測材料。針對信息領(lǐng)域應(yīng)用的重大需求，通過“功能基元+序構(gòu)”的物理效應(yīng)研究，探索解決光波和電磁波等信息載體的發(fā)射、探測和成像中的瓶頸問題。特別鼓勵設(shè)計和制備如下高性能材料：工作頻率在0.6-1THz、功率大于10mW、室溫工作、連續(xù)波輸出的自由電子太赫茲相干輻射器件；量子級聯(lián)太赫茲輻射源，最高激射溫度>200K、頻率范圍在1 THz－5 THz、連續(xù)輸出功率大于200 mW；實現(xiàn)單模輸出功率>1W(峰值，占空比大于1%)且單模連續(xù)可調(diào)諧范圍>1THz；基于非線性光子晶體的，片上可集成高速電光調(diào)制的太赫茲輻射源，調(diào)制頻率>100G；在通訊波段下工作的光電導(dǎo)太赫茲探測器，探測范圍0.5-5THz、動態(tài)范圍大于50dB@1THz、探測器件噪聲等效功率低于100pW/√Hz。發(fā)展低維體系功能基元構(gòu)建有序結(jié)構(gòu)的高性能信息處理、探測、成像的新材料。
（三）超高性能結(jié)構(gòu)材料。
為滿足航空航天和國家重大工程等應(yīng)用的迫切需求，基于“功能基元+序構(gòu)”的途徑，重點解決傳統(tǒng)材料強(qiáng)度與塑性和韌性的矛盾，發(fā)展出綜合性能優(yōu)異的金屬、無機(jī)和有機(jī)材料及其制備技術(shù)；發(fā)現(xiàn)超輕、超強(qiáng)、耐腐蝕等新材料，滿足極端服役條件對材料性能的苛刻要求。特別鼓勵對如下變革性材料的探索：塑性陶瓷（壓縮強(qiáng)度>500MPa、斷裂應(yīng)變>10%）；綜合性能優(yōu)異的TiAl合金（室溫拉伸塑性>6%，屈服強(qiáng)度>700MPa，1000℃拉伸屈服強(qiáng)度>400MPa）；多維復(fù)雜序構(gòu)的防護(hù)新材料。
（四）面向未來的能量轉(zhuǎn)換與存儲新材料。
重點支持基于功能基元序構(gòu)的高性能能量轉(zhuǎn)換與存儲新材料及器件。特別鼓勵對基元序構(gòu)物理和以下變革性材料的設(shè)計、制備研究：功能基元序構(gòu)的高性能室溫?zé)犭姴牧希╖T值>2.0）；多場多功能基元序構(gòu)耦合卡和高效能量轉(zhuǎn)換新材料；功能基元序構(gòu)的固態(tài)電池及關(guān)鍵材料（如固態(tài)電解質(zhì)離子室溫電導(dǎo)率>0.001 S/cm）；功能基元序構(gòu)新材料用于氫能制備和存儲及高性能燃料電池；基于功能基元序構(gòu)的高選擇性和高轉(zhuǎn)化率的新型光催化材料；基于單納米功能基元序構(gòu)的儲能器件及性能倍增機(jī)制探索；新型光電功能基元與高效能量轉(zhuǎn)換的研究，以滿足未來能源技術(shù)的重大需求。
（五）高性能的生物醫(yī)用材料。
重點支持基于功能基元序構(gòu)的變革性新材料的仿生學(xué)研究及其按需逆向設(shè)計的理論、制備技術(shù)探索；發(fā)展功能基元序構(gòu)高性能生物醫(yī)用材料，為臨床重大疾病探測、診斷、治療的變革性方案提供必要的高端材料與技術(shù)支撐。
四、項目遴選的基本原則
為確保實現(xiàn)總體目標(biāo)，本重大研究計劃要求申報項目的研究內(nèi)容必須符合指南要求，圍繞“功能基元+序構(gòu)”的研究思路，以“突破性”、“顛覆性”性能為研究導(dǎo)向，結(jié)合實際研究，提煉其中的基礎(chǔ)科學(xué)問題，開展創(chuàng)新性研究。
（一）要求研究“功能基元+序構(gòu)”相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)問題，即：在申請書中需要明確“功能基元”、“序構(gòu)”、“功能基元+序構(gòu)”的設(shè)計，研究其中蘊(yùn)含的機(jī)理與機(jī)制。其中，序構(gòu)可以是有序、長/短程有序、甚至無序等形式。
（二）“功能基元”性能可以是尋常的，但“功能基元+序構(gòu)”獲得的宏觀材料的性能必須是變革性或顛覆性的，比“功能基元”自身所用材料有大幅度提高，或者發(fā)現(xiàn)“功能基元”所用材料本身所不具備的新性能。
（三）要圍繞“功能基元+序構(gòu)?高性能”歸納提煉明確的核心關(guān)鍵科學(xué)問題。
（四）要明確對實現(xiàn)重大研究計劃總體目標(biāo)和解決核心科學(xué)問題的貢獻(xiàn)。
（五）鼓勵開展實質(zhì)性的國際合作。
五、2021年度資助計劃
對于有比較好的創(chuàng)新性研究思路或比較好的苗頭但尚需一段時間探索研究的申請項目，將以培育項目方式予以資助。2021年度擬資助培育項目35項，直接費用平均資助強(qiáng)度約為65萬元/項，資助期限為3年，培育項目申請書中研究期限應(yīng)填寫“2022年1月1日－2024年12月31日”；對于有較好研究基礎(chǔ)和積累，且有明確的重要科學(xué)問題需要進(jìn)一步深入系統(tǒng)研究同時體現(xiàn)學(xué)科交叉特征的申請項目，將以重點支持項目的方式予以資助。2021年度擬資助重點支持項目15項，直接費用平均資助強(qiáng)度約為350萬元/項，資助期限為4年，重點支持項目申請書中研究期限應(yīng)填寫“2022年1月1日－2025年12月31日”。
六、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(yīng)當(dāng)具備以下條件：
1.具有承擔(dān)基礎(chǔ)研究課題的經(jīng)歷；
2.具有高級專業(yè)技術(shù)職務(wù)（職稱）。
在站博士后研究人員、正在攻讀研究生學(xué)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(jìn)行申請。
（二）限項申請規(guī)定。
執(zhí)行《2021年度國家自然科學(xué)基金項目指南》“申請規(guī)定”中限項申請規(guī)定的相關(guān)要求。
（三）申請注意事項。
申請人和依托單位應(yīng)當(dāng)認(rèn)真閱讀并執(zhí)行本項目指南、《2021年度國家自然科學(xué)基金項目指南》和《關(guān)于2021年度國家自然科學(xué)基金項目申請與結(jié)題等有關(guān)事項的通告》中相關(guān)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2021年2月28日－3月4日16時。
（1）申請人應(yīng)當(dāng)按照科學(xué)基金網(wǎng)絡(luò)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）本重大研究計劃旨在緊密圍繞核心科學(xué)問題，將對多學(xué)科相關(guān)研究進(jìn)行戰(zhàn)略性的方向引導(dǎo)和優(yōu)勢整合，成為一個項目集群。申請人應(yīng)根據(jù)本重大研究計劃擬解決的具體科學(xué)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(xué)目標(biāo)、研究內(nèi)容、技術(shù)路線和相應(yīng)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“培育項目”或“重點支持項目”，附注說明選擇“功能基元序構(gòu)的高性能材料基礎(chǔ)研究”，根據(jù)申請的具體研究內(nèi)容選擇相應(yīng)的申請代碼。
培育項目和重點支持項目的合作研究單位不得超過2個。
（4）申請人在申請書“立項依據(jù)與研究內(nèi)容”部分，應(yīng)當(dāng)首先說明申請符合本項目指南中的重點資助研究方向，以及對解決本重大研究計劃核心科學(xué)問題、實現(xiàn)本重大研究計劃科學(xué)目標(biāo)的貢獻(xiàn)。
如果申請人已經(jīng)承擔(dān)與本重大研究計劃相關(guān)的其他科技計劃項目，應(yīng)當(dāng)在申請書正文的“研究基礎(chǔ)與工作條件”部分論述申請項目與其他相關(guān)項目的區(qū)別與聯(lián)系。
2. 依托單位應(yīng)當(dāng)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2021年3月4日16時前通過信息系統(tǒng)逐項確認(rèn)提交本單位電子申請書及附件材料，并于3月5日16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(xué)目標(biāo)和多學(xué)科集成，獲得資助的項目負(fù)責(zé)人應(yīng)當(dāng)承諾遵守相關(guān)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(yīng)關(guān)注與本重大研究計劃其他項目之間的相互支撐關(guān)系。
(2) 為加強(qiáng)項目的學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)項目群的形成和多學(xué)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(xué)術(shù)交流會，并將不定期地組織相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研討會。獲資助項目負(fù)責(zé)人有義務(wù)參加本重大研究計劃指導(dǎo)專家組和管理工作組所組織的上述學(xué)術(shù)交流活動。
（四）咨詢方式。
國家自然科學(xué)基金委員會
工程與材料科學(xué)部 材料科學(xué)二處
聯(lián)系電話：010-62327144
