用智慧重构物质世界

覆盖圆柱、软包、方壳的全系列电芯产品矩阵

话题主持

本报记者 张炯强

超越材料，是一类突破天然物质极限、由人类自主设计创造的新型人工材料。其核心特点，就藏在“超越”二字之中：它超越了大自然原有材料的物理规律，打破了传统材料的性能边界，是现代材料科学最具创新性的前沿领域之一。

日常生活中的普通材料，无论是金属、木材、塑料还是玻璃，它们的硬度、透光性、导电性等所有特性，都由自身的化学成分和天然分子结构决定，无法随意改变。超越材料最大的不同，是不靠化学成分取胜，而是靠人工精密结构取胜。科学家通过设计微小、有序、规律的微观单元，让材料拥有自然界从未存在的特殊性能，实现对光波、电磁波、声波的精准调控，真正做到“结构决定性能，设计创造未来”。

它不仅是一种新型物质，更是一种创新思维：敢于突破固有边界，敢于挑战既定规则，用智慧重构物质世界，用科技超越自然极限。

复旦大学赵东元院士、晁栋梁教授团队“造孔术”赋能水系电池

纳米孔里，“长”出安全电池

手机鼓包、电动车自燃、储能电站起火……当锂电池大规模走进生活，“怕火”成了悬在新能源行业头顶的一把剑。第十九届浦江创新论坛“超越材料”分论坛上，复旦大学赵东元院士、晁栋梁教授团队给出巧妙答案：用比头发丝还细万倍的“介孔”为水系电池赋能，造出“烧不着、刺不爆、冻不坏”的安全电池，并把它一路从实验室推向产线。

破解“不可能三角”

锂电池电解液是有机溶剂，存在安全隐患，遭遇针刺、过充或高温极易热失控，且我国锂资源七成以上依赖进口。“储能的终极刚需，不是极致的能量密度，而是绝对的安全。”复旦大学水系电池研究中心执行主任晁栋梁在同行扎堆锂电“红海”时，逆向扎进水系电池“蓝海”：以水溶液为电解液，水本身就是最好的“灭火剂”，从材料源头杜绝燃爆，且锌、锰、铁、镍等原料国内储量丰富。

但这条路其实背负着国际学界悬置多年的“不可能三角”：能量密度长期低于每公斤60瓦时，循环不足500次，金属负极易长出枝晶刺穿短路。谁能同时补齐三块短板，谁就推开安全储能规模化的大门——而钥匙，就藏在赵东元钻研近30年的“孔”里。

方寸间建“纳米城市”

孔径2到50纳米的介孔，比头发丝细上万倍；一克介孔材料的内表面积可铺开数个篮球场——相当于在方寸之间建起一座“纳米城市”，亿万孔道就是精密运转的“微型反应器”。这门“针尖上的学问”的开拓者、中国科学院院士赵东元，发明了至今仍是行业标准的SBA-15，创造20余种以“FDU”命名的介孔材料，领衔成果摘得2020年国家自然科学奖一等奖，今年8月再获2026未来科学大奖“物质科学奖”。

系统级的“纳米革命”

三大短板本质是电极“传荷、传质、界面反应”的共性难题，而介孔，是它们的“统一解”。团队不做单点修补，而是发起系统级革命——“电芯全方位介孔设计”：六大核心材料全部介孔化，在纳米尺度为离子修建一张贯通全电芯的“高速路网”。

电池的充放电，本质是离子在电极界面上的“进出场演出”。传统电极像一块“实心砖”，离子只能挤在表面看戏，内部大量“座位”常年闲置——这正是能量密度上不去的病根；金属负极表面又坑洼不平，离子偏爱在尖峰处“扎堆落户”，越积越高，终成刺穿隔膜的枝晶。介孔设计把平面“单层影院”加盖成“摩天剧场”：亿万孔道首尾贯通，如同纵横交错的纳米街巷，离子各行其道、直达深层，让每一寸反应界面都“座无虚席”。

最棘手的枝晶被有序介孔碳膜驯服：孔径均一的孔道恰似“海关安检通道”，让锌离子鱼贯而入、均匀沉积，从源头掐灭“扎堆”苗头；介孔MXene的“边缘效应”更化身纳米“清道夫”，把长歪的“死晶”重新氧化回收、循环复活——不只防御，更能治愈。

正极侧，介孔无钴球镍率先实现无钴化，多电子反应让每个活性位点“身兼数职”；介孔骨架又像“海绵”般吸满电解液，即便电极厚载到每平方厘米160毫克，依旧“表里如一”满负荷工作。实验室软包能量密度达每公斤165瓦时、每升506瓦时，锌利用率从约三成跃升至91%，把中国水系电池研究推上国际最前沿。

首条吨级产线落成

“基础研究要顶天，应用研究要立地。”在上海宝山，赵东元牵头组建的吴淞材料实验室孵化出首个产业化项目——晁栋梁2025年创办的上海复安绿能科技。团队啃下介孔碳包覆二次造粒技术，建成全球首条吨级介孔包覆锌负极材料产线，月产超500公斤，成本降约24%、效率升约35%。量产圆柱电芯能量密度达每公斤110瓦时、每升320瓦时，支持3C快充、10C放电，深充循环超2000次、浅充上万次，工作温域横跨零下40到85摄氏度。钢针穿刺、明火直烧，无烟无火无爆炸。50兆瓦时量产线今年9月底落成，“安能、安速、安恒”产品体系成型，AI赋能的AI-Energy Lab全面落地让研发效率提升超千倍。

要与锂电错位发展

“跟风只能做增量，引领才有科研价值。”在晁栋梁看来，水系电池与锂电错位发展：锂电守长续航，水系电池深耕数据中心、人口密集区、应急电源与低温场景。团队的下一目标，是把能量密度推向每公斤150至200瓦时，支撑未来本征安全储能产业发展。

赵东元曾说，自己的理想是“随心所欲地创造”。当亿万孔道在纳米尺度列队成阵，“介孔之微”正筑就“能源之安”。超越材料，最终超越的是科学与产业之间的那道鸿沟——而答案，就写在一个个2到50纳米的孔道里。

本报记者 张炯强

智慧材料 从“会响应”到“会思考”

复旦大学智能材料与未来能源创新学院执行院长 俞燕蕾 教授

如果把传统材料比作“被动的砖块”，那么智能材料就如同拥有感知能力的“生命体雏形”。在材料科学快速迭代的今天，材料不再仅仅承担承载、防护的基础功能，正在经历一场从智能材料到智慧材料的变革。从感知环境、被动响应，到自主判断、类生命演化，新一代材料正引领未来医疗、航天装备、柔性机器人、能源器件等领域迈入智慧化新时代。

什么是智能材料？简单来说，智能材料具备“感知—响应”两大能力。当外界发生温度、光照、压力、磁场变化时，材料能够捕捉信号，按照预设程序发生形变、变色、释放药物、实现自修复。

生活中已经有不少智能材料的身影：遇热变形的形状记忆合金、光照下发生形变的液晶高分子、可以感知应力的智能纤维、能够自修复的高分子凝胶。它们就像拥有“感官”，执行的是预先写好的固定指令，不会自主思考、不会学习进化。比如智能纤维可以感知人体心率、压力，编织成可穿戴监测织物，代价是信号会随汗液和反复拉伸而漂移；自修复涂层能在划伤后自行愈合，却只能修复微裂纹，且依赖特定温湿度条件。这些智能材料通过自身的“感知—响应”特性把一整套程序写入物质本体，但它们的局限也十分明显：只能执行既定任务，不具备学习与自主决策能力，很难应对复杂多变的真实场景。

而智慧材料，是在智能材料基础上，融合了人工智能算法与类生命结构的新一代材料，有望实现从“被动响应”到“主动决策”的跨越。它不只可以感知外界刺激，更能够对采集到的信息进行分析、学习、判断，甚至拥有自适应、自调节、自修复的类生命潜能。打一个通俗的比方：智能材料好比一个只会按指令做事的工人；智慧材料则是会观察环境、自主调整策略的“智能个体”。当环境发生意料之外的改变，智慧材料可以依靠内嵌的信息处理能力，动态调整自身结构与功能，不需要人为重新编程。

智慧材料是材料科学、人工智能与生物科学深度交叉催生的新方向。我国正推动智能材料向更智慧的下一代体系迈进。展望未来，我们设想：在医疗领域，智慧材料可以感知人体内的病变信号，自主调节药物释放速率；在航空领域，飞行器外壳的智慧材料能够感知撞击及温度波动，自主完成损伤修复；在柔性机器人领域，智慧材料可以模拟生物肌肉，根据受力情况实现刚度的自主调节，完成复杂的抓取、运动任务。

当然，智慧材料目前仍处在前沿探索阶段，距离走向实际应用还有不少难关。在上海，浦江创新论坛等学术平台上，国内外学者正围绕“超越材料”展开研讨，共同探讨材料科学从“性能优化”迈向“功能跃迁”、从“单一材料”迈向“跨尺度、多维度、智能化系统”的演变，推动材料科学与人工智能、生命科学、量子科技交叉融合。

谷自由度材料叩响下一代芯片大门

复旦大学智能材料与未来能源创新学院青年研究员 梁佳

手机越做越薄，AI算力需求节节攀升，芯片遇到现实困境：晶体管尺寸逼近物理极限，电子电荷传输带来大量发热，能耗与散热已经成为制约算力提升的拦路虎。能不能不去摆弄电子的电荷，换一套全新的“语言”来存储、传递信息？谷自由度材料，为此提供了一条充满想象的技术路径。

什么是谷自由度？一个通俗比喻：电子在晶体内部运动，它的能量—动量关系就像起伏的山地，那些凹陷下去的山谷，就是物理学所说的“能谷”。在很多二维量子晶体里，存在两个互不相同的山谷，标记为K谷与K'谷。这两个山谷就如同电子的两个独立“房间”，电子待在K谷，就可以记作逻辑“0”；待在K'谷，就记作逻辑“1”。这便是继电荷、自旋之后，电子的第三种可以拿来编码信息的全新自由度，我们称之为谷自由度。

不同于电荷依靠电子流动、自旋依靠电子旋转，谷自由度记录信息，依靠的是电子身处哪个“山谷”。更有意思的一点，两个能谷具备截然相反的物理响应。左旋圆偏振光可以选择性把电子激发到K谷；右旋圆偏振光则把电子送入K'谷。用光就可以完成信息写入。与此同时，谷霍尔效应能够让不同能谷的电子向器件两侧分开偏转，即便没有净电荷流动，依然可以实现谷信息传输，这就意味着器件有机会做到极低功耗，大大缓解芯片发热顽疾。

广阔前景的背后，是亟待翻越的现实技术鸿沟。谷态信息非常脆弱。室温环境下，晶格振动、材料缺陷会让电子在两个“山谷”之间来回“串门”，原本写好的“0”“1”信息瞬间丢失。很长一段时间，高质量的谷信号只能够在极低温环境下观测，距离日常芯片应用十分遥远。因此，科研人员从材料体系、晶体对称性、界面工程、应力调控多条路径同时攻关，力求稳住电子的能谷状态，抑制信号损耗。

谷态与圆偏振光天然耦合，也让谷自由度材料成为片上光信息处理的理想载体。如今新型谷材料和超表面、光波导结合，能够在单块芯片内部完成谷信息的产生、路由、读取。科研演示实验中，两套图像信息，分别放编码到两个不同能谷，通过同一根波导同时传输，最后在芯片末端分离开解码输出，实现了谷复用通信。这预示未来光通信芯片，可以借助谷自由度进一步提升通信带宽。

当然，我们依然要客观看待现状。目前绝大多数高性能谷效应成果仍旧停留在实验室阶段。摆在产业面前还有不少关卡，材料、物理、微电子工程需要跨学科接力攻关。

今天我们叩响谷自由度的大门，本质就是在晶体的能带地貌里，挖掘出一套全新信息语言。持续的材料迭代正一步步把实验室奇妙量子效应，推向现实世界。未来，当摩尔定律逐渐走到尽头，谷自由度这类新型量子材料，有望成为下一代信息技术重要的备选方案，为算力、通信、量子技术开辟崭新的可能性。