功能基元序構的高性能材料是指以功能基元為基本單元，通過空間序構構成具有突破性、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構單元，序構指人工設計制造的特定結構單元堆垛、排列方式，如有序結構、長/短程有序結構、梯度結構等。功能基元序構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、科學目標

本重大研究計劃瞄準材料科學前沿，通過功能基元序構構建高性能新材料，滿足信息、結構、能源和極端服役條件對材料的需求，解決其中的關鍵科學問題與技術問題，揭示功能基元序構材料中蘊含的規律，建立相應的理論，發展材料設計的新原理和先進制備技術，逐步實現按需設計變革性和顛覆性新材料的目標，提高我國在材料科學領域的整體創新能力。

二、核心科學問題

本重大研究計劃將組織材料、信息、數理、化學等學科的科學家共同開展研究，擬解決的核心科學問題如下：

(一)功能基元的本征特性(如物理化學性質、微納結構、形態、尺寸、分布等)對宏觀性能的影響規律及其調控機理，關注功能基元的臨界尺寸效應和量子限域效應,明確功能基元(如鐵電疇、鐵磁疇、孿晶、組分、結構、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)之間的關聯，發現和構筑影響材料宏觀新奇物性的關鍵功能基元。

(二)序構對材料宏觀性能優化增強的作用規律。序構(如有序結構、長/短程有序結構、梯度結構、無序結構等)引發的功能基元間的耦合、增強 效應;明晰序構影響材料宏觀性能的物理機制。

(三)功能基元序構的協同關聯效應。揭示功能基元序構的協同關聯作用機制;發現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”與宏觀性能的關聯;建立按需設計功能基元序構高性能材料的方法。

(四)功能基元序構高性能材料的制備科學與表征技術。發展“自上而下”、“自下而上”制備功能基元序構高性能材料的新方法與新技術，發展人工序構材料的結構和性能表征技術，探索其中獨特的科學問題。

三、2021年度重點資助研究方向

通過“功能基元+序構”的研究思路發展以下材料設計理論、方法和高性能材料：

(一)功能基元序構新材料的設計理論、方法和物理基礎。

聚焦功能基元序構高性能材料的物理機制與變革性新材料設計的理論和方法：1)研究“功能基元—人工序構—超越性能”三者之間關系的物理基礎，包括功能基元結構和性能(力、熱、光、聲、電、磁等)的特征尺寸效應、量子限域效應等，基元之間的關聯和耦合效應，序構導致的合作、性能增強和突現性效應等。探索功能基元序構導致變革性材料的新規律和新方法。2)發展功能基元序構變革性新材料的設計理論和方法，研究功能基元序構高性能材料的系統性設計理論和方法，探索基于功能基元序構的突破性和變革性新材料體系，發展功能基元序構新材料逆向設計、優化設計的方法、軟件和數據庫等。

(二)下一代信息技術核心材料。

為滿足下一代5G-6G通訊系統等器件應用的迫切需求，重點解決傳統太赫茲發射源器件中高頻率和高功率的矛盾，發展出基于“功能基元+序構”的太赫茲波段的高效輻射及探測材料。針對信息領域應用的重大需求，通過“功能基元+序構”的物理效應研究，探索解決光波和電磁波等信息載體的發射、探測和成像中的瓶頸問題。特別鼓勵設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、連續波輸出的自由電子太赫茲相干輻射器件;量子級聯太赫茲輻射源，最高激射溫度>200K、頻率范圍在1 THz-5 THz、連續輸出功率大于200 mW;實現單模輸出功率>1W(峰值，占空比大于1%)且單模連續可調諧范圍>1THz;基于非線性光子晶體的，片上可集成高速電光調制的太赫茲輻射源，調制頻率>100G;在通訊波段下工作的光電導太赫茲探測器，探測范圍0.5-5THz、動態范圍大于50dB@1THz、探測器件噪聲等效功率低于100pW/√Hz。發展低維體系功能基元構建有序結構的高性能信息處理、探測、成像的新材料。

(三)超高性能結構材料。

為滿足航空航天和國家重大工程等應用的迫切需求，基于“功能基元+序構”的途徑，重點解決傳統材料強度與塑性和韌性的矛盾，發展出綜合性能優異的金屬、無機和有機材料及其制備技術;發現超輕、超 強、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(壓縮強度>500MPa、斷裂應變>10%);綜合性能優異的TiAl合金(室溫拉伸塑性>6%，屈服強度>700MPa，1000℃拉伸屈服強度>400MPa);多維復雜序構的防護新材料。

(四)面向未來的能量轉換與存儲新材料。

重點支持基于功能基元序構的高性能能量轉換與存儲新材料及器件。特別鼓勵對基元序構物理和以下變革性材料的設計、制備研究：功能基元序構的高性能室溫熱電材料(ZT值>2.0);多場多功能基元序構耦合卡和高效能量轉換新材料;功能基元序構的固態電池及關鍵材料(如固態電解質離子室溫電導率>0.001 S/cm);功能基元序構新材料用于氫能制備和存儲及高性能燃料電池;基于功能基元序構的高選擇性和高轉化率的新型光催化材料;基于單納米功能基元序構的儲能器件及性能倍增機制探索;新型光電功能基元與高效能量轉換的研究，以滿足未來能源技術的重大需求。

(五)高性能的生物醫用材料。

重點支持基于功能基元序構的變革性新材料的仿生學研究及其按需逆向設計的理論、制備技術探索;發展功能基元序構高性能生物醫用材料，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支撐。

四、項目遴選的基本原則

為確保實現總體目標，本重大研究計劃要求申報項目的研究內容必須符合指南要求，圍繞“功能基元+序構”的研究思路，以“突破性”、“顛覆性”性能為研究導向，結合實際研究，提煉其中的基礎科學問題，開展創新性研究。

(一)要求研究“功能基元+序構”相關的基礎科學問題，即：在申請書中需要明確“功能基元”、“序構”、“功能基元+序構”的設計，研究其中蘊含的機理與機制。其中，序構可以是有序、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”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，或者發現“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?高性能”歸納提煉明確的核心關鍵科學問題。

(四)要明確對實現重大研究計劃總體目標和解決核心科學問題的貢獻。

(五)鼓勵開展實質性的國際合作。

五、2021年度資助計劃

對于有比較好的創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填寫“2022年1月1日-2024年12月31日”;對于有較好研究基礎和積累，且有明確的重要科學問題需要進一步深入系統研究同時體現學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當具備以下條件：

1.具有承擔基礎研究課題的經歷;

2.具有高級專業技術職務(職稱)。

在站博士后研究人員、正在攻讀研究生學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行申請。

(二)限項申請規定。

執行《2021年度國家自然科學基金項目指南》“申請規定”中限項申請規定的相關要求。

(三)申請注意事項。

申請人和依托單位應當認真閱讀并執行本項目指南、《2021年度國家自然科學基金項目指南》和《關于2021年度國家自然科學基金項目申請與結題等有關事項的通告》中相關要求。

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)申請人應當按照科學基金網絡信息系統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問題，將對多學科相關研究進行戰略性的方向引導和優勢整合，成為一個項目集群。申請人應根據本重大研究計劃擬解決的具體科學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、科學目標、研究內容、技術路線和相應的研究經費等。

(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“功能基元序構的高性能材料基礎研究”，根據申請的具體研究內容選擇相應的申請代碼。

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“立項依據與研究內容”部分，應當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問題、實現本重大研究計劃科學目標的貢獻。

如果申請人已經承擔與本重大研究計劃相關的其他科技計劃項目，應當在申請書正文的“研究基礎與工作條件”部分論述申請項目與其他相關項目的區別與聯系。

2. 依托單位應當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時前通過信息系統逐項確認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) 為實現重大研究計劃總體科學目標和多學科集成，獲得資助的項目負責人應當承諾遵守相關數據和資料管理與共享的規定，項目執行過程中應關注與本重大研究計劃其他項目之間的相互支撐關系。

(2) 為加強項目的學術交流，促進項目群的形成和多學科交叉與集成，本重大研究計劃將每年舉辦一次資助項目的年度學術交流會，并將不定期地組織相關領域的學術研討會。獲資助項目負責人有義務參加本重大研究計劃指導專家組和管理工作組所組織的上述學術交流活動。

(四)咨詢方式。

國家自然科學基金委員會

工程與材料科學部 材料科學二處

聯系電話：010-62327144