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(guò)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?！肮δ芑笔窃谠?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(jì)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(zhǎng)/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(jì)劃瞄準(zhǔn)材料科學(xué)前沿，通過(guò)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(duì)材料的需求，解決其中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)問(wèn)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(jì)的新原理和先進(jìn)制備技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)按需設(shè)計(jì)變革性和顛覆性新材料的目標(biāo)，提高我國(guó)在材料科學(xué)領(lǐng)域的整體創(chuàng)新能力。
二、核心科學(xué)問(wèn)題
本重大研究計(jì)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(kāi)展研究，擬解決的核心科學(xué)問(wèn)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(duì)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(duì)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(zhǎng)/短程有序結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)、無(wú)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(jì)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(dú)特的科學(xué)問(wèn)題。
三、2021年度重點(diǎn)資助研究方向
通過(guò)“功能基元+序構(gòu)”的研究思路發(fā)展以下材料設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法、軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)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(diǎn)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(cè)材料。針對(duì)信息領(lǐng)域應(yīng)用的重大需求，通過(guò)“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(cè)和成像中的瓶頸問(wèn)題。特別鼓勵(lì)設(shè)計(jì)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(jí)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(shí)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(cè)器，探測(cè)范圍0.5-5THz、動(dòng)態(tài)范圍大于50dB@1THz、探測(cè)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(cè)、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(guó)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(diǎn)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(wú)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(duì)材料性能的苛刻要求。特別鼓勵(lì)對(duì)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(lái)的能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)新材料。
重點(diǎn)支持基于功能基元序構(gòu)的高性能能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)新材料及器件。特別鼓勵(lì)對(duì)基元序構(gòu)物理和以下變革性材料的設(shè)計(jì)、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(chǎng)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(chǔ)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(chǔ)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(lái)能源技術(shù)的重大需求。
（五）高性能的生物醫(yī)用材料。
重點(diǎn)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(jì)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(cè)、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(xiàng)目遴選的基本原則
為確保實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)，本重大研究計(jì)劃要求申報(bào)項(xiàng)目的研究?jī)?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(shí)際研究，提煉其中的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)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(wèn)題，即：在申請(qǐng)書(shū)中需要明確“功能基元”、“序構(gòu)”、“功能基元+序構(gòu)”的設(shè)計(jì)，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(zhǎng)/短程有序、甚至無(wú)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(wèn)題。
（四）要明確對(duì)實(shí)現(xiàn)重大研究計(jì)劃總體目標(biāo)和解決核心科學(xué)問(wèn)題的貢獻(xiàn)。
（五）鼓勵(lì)開(kāi)展實(shí)質(zhì)性的國(guó)際合作。
五、2021年度資助計(jì)劃
對(duì)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(shí)間探索研究的申請(qǐng)項(xiàng)目，將以培育項(xiàng)目方式予以資助。2021年度擬資助培育項(xiàng)目35項(xiàng)，直接費(fèi)用平均資助強(qiáng)度約為65萬(wàn)元/項(xiàng)，資助期限為3年，培育項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)中研究期限應(yīng)填寫(xiě)“2022年1月1日－2024年12月31日”；對(duì)于有較好研究基礎(chǔ)和積累，且有明確的重要科學(xué)問(wèn)題需要進(jìn)一步深入系統(tǒng)研究同時(shí)體現(xiàn)學(xué)科交叉特征的申請(qǐng)項(xiàng)目，將以重點(diǎn)支持項(xiàng)目的方式予以資助。2021年度擬資助重點(diǎn)支持項(xiàng)目15項(xiàng)，直接費(fèi)用平均資助強(qiáng)度約為350萬(wàn)元/項(xiàng)，資助期限為4年，重點(diǎn)支持項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)中研究期限應(yīng)填寫(xiě)“2022年1月1日－2025年12月31日”。
六、申請(qǐng)要求及注意事項(xiàng)
（一）申請(qǐng)條件。
本重大研究計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)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(jí)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(wú)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(qǐng)人進(jìn)行申請(qǐng)。
（二）限項(xiàng)申請(qǐng)規(guī)定。
執(zhí)行《2021年度國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目指南》“申請(qǐng)規(guī)定”中限項(xiàng)申請(qǐng)規(guī)定的相關(guān)要求。
（三）申請(qǐng)注意事項(xiàng)。
申請(qǐng)人和依托單位應(yīng)當(dāng)認(rèn)真閱讀并執(zhí)行本項(xiàng)目指南、《2021年度國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目指南》和《關(guān)于2021年度國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目申請(qǐng)與結(jié)題等有關(guān)事項(xiàng)的通告》中相關(guān)要求。
1. 本重大研究計(jì)劃項(xiàng)目實(shí)行無(wú)紙化申請(qǐng)。申請(qǐng)書(shū)提交日期為2021年2月28日－3月4日16時(shí)。
（1）申請(qǐng)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(jì)劃項(xiàng)目的填報(bào)說(shuō)明與撰寫(xiě)提綱要求在線填寫(xiě)和提交電子申請(qǐng)書(shū)及附件材料。
（2）本重大研究計(jì)劃旨在緊密圍繞核心科學(xué)問(wèn)題，將對(duì)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(shì)整合，成為一個(gè)項(xiàng)目集群。申請(qǐng)人應(yīng)根據(jù)本重大研究計(jì)劃擬解決的具體科學(xué)問(wèn)題和項(xiàng)目指南公布的擬資助研究方向，自行擬定項(xiàng)目名稱、科學(xué)目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容、技術(shù)路線和相應(yīng)的研究經(jīng)費(fèi)等。
（3）申請(qǐng)書(shū)中的資助類別選擇“重大研究計(jì)劃”，亞類說(shuō)明選擇“培育項(xiàng)目”或“重點(diǎn)支持項(xiàng)目”，附注說(shuō)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(qǐng)的具體研究?jī)?nèi)容選擇相應(yīng)的申請(qǐng)代碼。
培育項(xiàng)目和重點(diǎn)支持項(xiàng)目的合作研究單位不得超過(guò)2個(gè)。
（4）申請(qǐng)人在申請(qǐng)書(shū)“立項(xiàng)依據(jù)與研究?jī)?nèi)容”部分，應(yīng)當(dāng)首先說(shuō)明申請(qǐng)符合本項(xiàng)目指南中的重點(diǎn)資助研究方向，以及對(duì)解決本重大研究計(jì)劃核心科學(xué)問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)本重大研究計(jì)劃科學(xué)目標(biāo)的貢獻(xiàn)。
如果申請(qǐng)人已經(jīng)承擔(dān)與本重大研究計(jì)劃相關(guān)的其他科技計(jì)劃項(xiàng)目，應(yīng)當(dāng)在申請(qǐng)書(shū)正文的“研究基礎(chǔ)與工作條件”部分論述申請(qǐng)項(xiàng)目與其他相關(guān)項(xiàng)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(qǐng)以及審核申請(qǐng)材料等工作。在2021年3月4日16時(shí)前通過(guò)信息系統(tǒng)逐項(xiàng)確認(rèn)提交本單位電子申請(qǐng)書(shū)及附件材料，并于3月5日16時(shí)前在線提交本單位項(xiàng)目申請(qǐng)清單。
3. 其他注意事項(xiàng)。
(1) 為實(shí)現(xiàn)重大研究計(jì)劃總體科學(xué)目標(biāo)和多學(xué)科集成，獲得資助的項(xiàng)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(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中應(yīng)關(guān)注與本重大研究計(jì)劃其他項(xiàng)目之間的相互支撐關(guān)系。
(2) 為加強(qiáng)項(xiàng)目的學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)項(xiàng)目群的形成和多學(xué)科交叉與集成，本重大研究計(jì)劃將每年舉辦一次資助項(xiàng)目的年度學(xué)術(shù)交流會(huì)，并將不定期地組織相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研討會(huì)。獲資助項(xiàng)目負(fù)責(zé)人有義務(wù)參加本重大研究計(jì)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(dòng)。
（四）咨詢方式。
國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)
工程與材料科學(xué)部 材料科學(xué)二處
聯(lián)系電話：010-62327144
