日本发布纳米与材料科学技术研发战略

20186月,日本文部科学省发布了《纳米与材料科学技术研发战略》。该战略的主要内容如下:

一、纳米与材料科学技术领域的未来变化

纳米与材料科学技术是支撑电子产业、汽车、机器人等基础产业的支柱,也是解决日本资源能源不足、社会基础设施老旧化等社会性问题的关键基础技术。此外,纳米与材料科学技术还支撑了多种研究和应用领域,发挥了科技发展促进社会发展的先导作用。该报告从六个方面对纳米与材料领域的变化作出阐释。

1. 学科发展的作用

由材料科学技术发展带动技术和产业变革,进而推动社会变革,这样的例子不胜枚举。如在半导体制造业,积层制造技术和薄膜制造技术的创新,实现了大容量存储器、光学传感器、智能手机和传感器等小型高性能设备的制造,开启了智能产品和物联网时代,其中的关键设备如锂电池等蓄电池技术,日本处于领先地位。又如在通信行业,功率半导体技术的发展大幅减少了CO2的排放量。此外,新型轻量化材料推动了汽车产业的创新发展,碳纤维复合材料(CFRP)提升了运输机器和日用品的耐久性和安全性,超导核磁共振(MRI)系统和线性电动机的诞生为医疗和交通运输业带来了变革。未来,纳米与材料科学技术将成为物联网、人工智能、大数据环境和医疗保健等领域发展的原动力。

2. 研发环境的变化

目前,日本在纳米与材料科学技术领域的发展面临诸多困境。一是随着人口老龄化加剧,年轻科研队伍越来越少,面临着研发人员不足而无法保证科研任务按时完成的问题。二是近年日本在相关领域的国际论文数量呈下降趋势。三是虽然产业界的研发投资整体上略有增加,但日本民间企业研发投资效率下降。四是原先占有高市场份额的领域,由于用户需求和国际竞争加剧,市场份额也有下滑趋势。

3.日本的政策定位

2001—2016年,日本在第2~5期科学技术基本计划中,连续四次将纳米与材料科学领域确定为优先分配研发资源的重点领域之一。在第2期科学技术基本计划中,确定了优先研发领域,积极推动政、产、学、研协作,大力促进技术创新。在第3期科学技术基本计划中,文部科学省一直在推动关键技术研发,并一直进行纳米电子领域的研究。在第4期科学技术基本计划中,确定了纳米和材料重点发展领域,并逐年增加对纳米技术的研究经费,同时为社会和企业发展纳米技术创造有利的研发环境。在第5期科学技术基本计划中,为实现领先世界的超智能社会,必须加强服务平台基础技术研发,特别是纳米技术、机器人技术、传感器技术等核心优势基础技术。此外,内阁办公室还启动了官民研究开发投资扩大项目(PRISM)。

1 日本科学技术基本计划重点推进纳米与材料科学领域

                                               

4.世界竞争力

日本在纳米与材料科学技术领域有很强的竞争力。科研方面,日本在全国开展尖端研究设备开放共享体系,拥有大型研究设施平台,研发人员的知识和经验积累非常丰富,过程数据保存完好,促进了未来材料领域的发展。日本研究机构发表的论文被引用次数居全球第9位。产业方面,日本在锂离子电池、碳纤维、液晶显示器件材料、水处理分离膜、钢材等领域所占的全球市场份额很高。

5. 其他国家研发动向

世界各地区与国家对纳米与材料科学技术的发展都非常重视。

美国自2001年起,每3~5年就会制定国家纳米技术战略计划,关注重点从基础研究转向应用研究。2011年又公布材料基因组计划,由多家机构共同参与实施。

欧洲纳米与材料科学相关的研究被纳入“地平线2020”中的三个优先领域。此外,由德国、英国、西班牙、芬兰、丹麦和爱尔兰合作的“新材料发现实验室”(NOMAD),旨在继续完善已经开始的与材料百科全书相关的工作。

韩国在第4期纳米技术综合发展计划(2016—2025年)中,提出在研发方面,确保制造业技术领先,使纳米融合产品销售额比重达到12%、纳米融合企业数量达到1000家、骨干研究人员达到1.2万名,促进产业化,支持企业技术商业化。

6. 塑造未来社会

为实现联合国可持续发展目标(SDGs),日本政府设立了SDGs推进本部发展并制定了政策实施方针。通过网络空间技术提供物质、材料和设备,大力发展核心技术,确保未来的国际竞争力。例如,为实现“目标6 清洁饮水和卫生设施”,维护和加强产业竞争力的材料技术。又如,关于“目标11可持续城市和社会”,全面加强关键材料的研发。

此外,利用人工智能开发新材料,引领技术变革。日本新材料科技战略目标是保持产品的国际竞争力,对未来的变化采取应对措施的手段。

二、纳米与材料技术的发展目标

为实现超智能社会5.0和联合国可持续发展目标,日本将不断冲破壁垒,创造出具有魅力机能的新材料,实现“材料变革”。有魅力机能的新材料包括:自身修复、免维护、低成本耐用材料,具有先进功能材料,兼具超薄膜的柔性材料,具有实现循环回收利用的先进复合材料,实现能源转换、贮藏与高效利用的创新材料。

除扩展现有材料的用途、创造具有新机能的材料外,日本还将创建科研基地,实现科研技术转化为生产力。同时关注国际研发趋势,推动世界领先的下一代材料研发,从而保持国际影响力。

三、实现材料革命所面临的挑战

1. 亟需建立项目长期支持机制

材料研发面临的主要问题是开发周期长,因此,在项目研发期间很难看到商业化前景。对于关键技术,在项目完成后需要引入支持措施。有必要构建支援机制,促进学术成果转化为现实产品,发掘企业拥有材料的新用途。

2.亟待建立数据库

数据驱动型研发需要大量高品质数据。有必要考虑如何建立数据库并加以利用,确保数据质量。

3.研发人力资源不足

日本劳动人口减少,青年研究人员不足,难以保证研究的可持续发展。因此无论是工业界、学术界还是政府,都必须确保研究人员充足,才能保持日本在该领域研究的领先地位,保持和提高国际竞争力。

4. 成果转化存在障碍

由于大学等研究机构的实验室与民间企业之间的研究规模差距和成本等问题,研究成果向民间企业移交存在很大障碍。需要考虑如何促进研究成果向民间转移。

5. 研发产品与社会需求存在差异性

由于研发的长期性、材料设计与最终产品的差距、社会需求的多样化和复杂性,材料领域的应用很难以传统的基础线性模型实现。未来重要的是社会应用和基础研究相互促进,以螺旋方式促进研究和发展。

此外,有必要完善研究人员的体系支撑,引发新灵感。材料加工技术等领域难以产出论文,但对国际竞争力至关重要。对从事基础研究和应用研究的科研人员来说,制定除论文之外的评估方法和制度非常重要。

四、实现材料革命的措施

基于国内外动向和人工智能技术发展模式的转变,有必要重新设计纳米技术和材料领域的研发理念。日本将建设将网络技术和机器人技术纳入研究基地的实验室,推进适应新时代的研究人才培养,寻求新的切入点开展战略性和持续性的研究开发。

1. 创造出能够带来社会变革作用的新材料

一是立足新领域,扩大材料使用机能。包含相反属性的超复合材料;充分利用非平衡态和亚稳结构的物质;充分将生物机制引入到材料开发中。二是进行战略性、持续推进相关领域的研发。包括实现元素与物质的循环,制定开拓材料新机能的新一代元素战略;研发物联网与人工智能时代的创新装置(包括传感器和驱动器技术);生物材料;能够实现创新分离技术的材料;结构材料;创新机器人技术的材料;极限超级计测技术。

2. 推动实验室的研发高效化、高速化、精密化改革

一是建立智能实验室(充分利用人工智能和机器人技术)。二是数据驱动型研发。三是以数据作为创造源泉的计测技术开发。四是加强共同设施与机器配置,实现基地网络化。

3. 实施材料革命的推进政策

一是加强产学官合作,促进开放创新发展。二是制定中长期人才培养制度,加强国际合作的战略性措施。三是促进纳米技术与材料和社会同步发展。

原文始发于:日本发布纳米与材料科学技术研发战略


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