面向未来的智能材料物质科学
张文彬 杨柳林 董原辰 戴卓君 刘雅杰 秦朗 康强 詹世革 杨俊林
摘要：智能材料自20世纪80年代以来逐渐兴起，成为材料科学的重要方向，催生了一系列重要的概念材料。近几年来，人工智能的长足进步促使人们对智能材料的内涵和外延进行深入的反思：智能的物质基础是什么？是否存在集成思考、响应、自复制等多重能力的智能物质？如何理解、设计、合成和改造智能物质？当前化学、生命、材料、信息科学等学科的高速发展为回答这些问题提供了极佳的契机。针对智能物质的系统研究，不仅将带来对智能的全新认识，还将对先进材料、合成细胞、生命起源等相关领域产生重要影响，在为科学界提供全新研究对象的同时，也将为解决国家重大需求带来变革性的突破。本文基于国家自然科学基金委员会第391期“双清论坛”，总结了智能材料的研究现状、发展趋势及机遇挑战，凝练出未来相关领域的重点研究内容和亟需解决的关键科学问题。https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2025//202503-376-388.pdf
面向软体机器的智能形变高分子材料化学基础
俞燕蕾 谢涛 刘明杰 张霄羽 潘峰 韦嘉 秦朗
摘要：智能形变高分子材料是实现软体机器感知—驱动—传动—结构一体化设计的核心材料，对提高软体机器的适应性、自主性和作业能力至关重要。然而，目前智能形变高分子材料的感知和驱动性能以及智能化程度无法满足软体机器自主行为控制的需求。通过智能形变高分子材料的创新化学设计突破感知驱动能力弱和自主性匮乏的瓶颈问题是决定软体机器未来兴盛的关键。我国在智能形变高分子材料化学领域的研究已有长足进步，但欠缺以重大领域应用需求为导向的组织性和整体协同性。因此，仍需加大投入力度，有组织性地深入研究软体机器的组成核心，以推动未来软体机器技术的持续创新与发展。https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2025//202503-389-397.pdf
液态金属活物质与人工生命体系的构筑
国瑞 张淇 刘静
摘要：本文旨在介绍液态金属活物质的基本概念和演化路径，探讨液态金属典型的类生物活物质属性，总结其中的基础科学问题，并解读其对发展人工细胞、仿生器官以及智能机器人等方面提供的科学启示。同时，本文还将剖析研制液体集成型柔性智能机器人的可行途径，以及面临的科学挑战与技术机遇，最后对液态金属人工生命领域的发展前景进行展望。https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2025//202503-398-407.pdf
智能纤维材料与器件
虞思汇 江海波 唐成强 宋佳恬 郑园园 朱正峰 李天睿 姜怡 张松林 孙雪梅
摘要：本文以“材料—原理—器件—应用”为组织框架，系统综述了智能纤维材料（包括金属材料、高分子材料与碳纳米材料）及其相关智能纤维器件（涵盖传感检测、能量转化、能量储存与发光显示）在材料与结构设计、性能优化、连续化制备工艺以及前沿应用方面的最新研究进展。最后，结合新兴材料研究方法及智能织物生态系统的构建需求，展望了智能纤维及器件领域的未来发展与关键研究方向。https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2025//202503-408-418.pdf
核酸信息材料研究进展
宋璐 李敏 左小磊
摘要：与传统的硬盘或磁带存储相比，DNA存储具有极高的存储密度和长期稳定性。通过将数字数据编码为DNA序列，利用合成和测序技术，可以将海量数据进行低成本、低能耗地存储及恢复。随着技术的不断进步，基于核酸信息材料的数据存储有潜力成为一种高效的数据存储解决方案，尤其适用于海量数据存储和长期数据存储。尽管DNA存储潜力巨大，但其大规模应用仍受限于合成成本及测序效率等瓶颈。本文综述了基于核酸信息材料的数据存储技术，探讨了利用核酸分子作为数据存储介质的最新研究进展，并提出了核酸存储在未来的研究方向和发展趋势。https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2025//202503-419-431.pdf
材料合成生物学研究进展及展望
崔惠敬 王帆 李敬敬 孙静 马超 刘凯 张洪杰
摘要：材料合成生物学通过改造生物系统制备战略金属、无机复合材料、高性能生物大分子及有机高分子材料，具有环境友好与资源高效优势，有望替代传统石油基制造模式。然而，其发展受限于微生物底盘适配性低、多尺度动态调控灵敏度不足、材料仿生设计策略缺失及规模化生产传质传热效率低等核心科学问题。本文聚焦上述挑战，提出结合人工智能开发代谢网络调控大模型与高通量筛选平台；推动生物—无机杂化系统设计，突破材料性能瓶颈；并倡导政策层面设立专项基金、完善知识产权转化机制。旨在推动“原料—合成—回收”全链条绿色制造体系构建，为资源替代、生物医学及低碳经济提供颠覆性解决方案。https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2025//202503-432-440.pdf
智能活体材料的设计、集成及应用
王新宇 安柏霖 钟超
摘要：智能活体材料是材料科学与合成生物学深度交叉融合的创新领域，通过将工程化生命系统与非生命组分有机结合，赋予材料自我修复、环境响应及自适应等类生命特性。其核心目标是利用人工基因线路对微生物进行编程，从而实现自组织活体材料的智能调控，或结合半导体、水凝胶等人工材料构建杂合活体材料体系，突破天然生物系统的功能局限。目前智能活体材料在智能传感、精准医疗、环境修复、能源转化及智能建筑等领域展现出广阔应用前景，其发展将推动多学科交叉融合。该领域还需要在生物合成与生物集成、自我修复与自我再生、环境响应性与多细胞系统三个方面进行加强，提升智能化程度，为可持续发展与材料的产业变革提供新范式https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2025//202503-441-453.pdf
机器人物质：融合材料与智能的未来路径
王璟 陈怀城 刘雳宇
摘要：受制于静态结构与固定响应模式等因素，传统智能材料的自适应调控与学习优化能力有限，无法应对复杂环境与动态需求。而当机器人技术的微型化、廉价化、智能化发展与集群技术突破相结合后，便催生了全新的智能材料理念——机器人物质，即以机器人个体为基本单元，依托自组织集群技术实现材料功能。通过整合环境感知、信息处理、耦合连接、力学性能、多态转换、能源续航与人—材交互七大基础功能模块，机器人物质具备自主决策、环境适应、可编程性、多功能性等智能特性。通过进一步与生物功能材料、适应性演化策略等技术相融合，机器人物质或将突破传统智能材料局限，在智能制造、精准医疗及极端环境探索中催生颠覆性应用。https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2025//202503-454-464.pdf
可遗传功能微生物活体智能生物医用材料：设计策略、集成技术及医学应用
曹浈萍 陈焕 刘尽尧
摘要：随着微生物科学、合成生物学和材料化学的快速发展，微生物活体智能医用材料作为一种新型可持续智能材料，已成为生物医学领域的研究热点。本文基于第391期双清论坛“面向未来的智能材料物质科学”会议内容，对我国在微生物活体智能生物医用材料的设计、集成及应用研究方面的国家重大需求进行了总结。本文回顾了基于合成生物学与材料化学的微生物活体智能材料的设计策略，探讨了单细胞与多细胞协同设计方法，并总结了当前面临的主要挑战。最后，提出了该领域未来5~10年内亟需解决的科学问题和核心技术，并展望了微生物活体智能材料在精准医疗和智能药物递送等领域的发展方向。https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2025//202503-465-473.pdf
“双碳”目标下能源转化与利用科学问题
金红光 郭烈锦 宣益民 姜培学 关永刚
摘要：构建“清洁低碳、安全高效”的现代化能源体系、推动实现“双碳”目标是国家重大需求，基于国家自然科学基金委员会第358期“双清论坛”，本文总结了我国能源绿色低碳转型研究及产业发展所面临的挑战和难点，梳理了近年来在能源低碳高效转化、绿色氢电与长时储能、终端用能提效减排等领域取得的主要进展和成就，凝练了能源转化与利用领域未来5~10年所面临的重大关键科学问题，探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略。https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2025//202503-474-488.pdf
能源低碳高效转化
金红光 刘启斌 白章
摘要：碳减排是实现“双碳”目标的重要方向，化石能源的低碳高效转化和可再生能源高效开发是其关键潜力所在，能源低碳高效转化科技创新与变革也将是助力形成绿色供能格局的必由之路。面对碳减排的艰巨性和复杂性，能源利用科学理论的突破是重要抓手，需要立足我国国情，提炼主攻方向，明确研究目标导向，综合考虑多层面能源技术创新，厘清当前能源转化与利用的关键科学问题。基于国家自然科学基金委员会第358期“双清论坛”，本文总结了我国能源绿色低碳转型研究及产业发展面临的重大需求，以及通过自然科学和基础科学等多学科交叉支撑所取得的主要进展和成就，并凝练了能源低碳高效转化领域未来5~10年所面临的重大关键科学问题，探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略。https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2025//202503-489-497.pdf
低成本大规模绿色氢电生产与低成本大容量长时储能
郭烈锦 金辉 关永刚
摘要：能源是国民经济的命脉。发展高效低成本大规模绿色氢/电生产技术和低成本长时氢/电储存输运技术，可为巨量CO2减排和足量廉价绿色氢/电供给提供可靠的核心支撑，并为构建新型绿色能源供给体系、保障国家能源安全和实现“双碳”目标提供战略性科技保障。基于该背景，本文分析了当前我国能源供给结构的根本性缺陷和重大需求，阐明了化石能源和可再生能源转化的本质，并指出了能源转化过程中的三个关键科学问题：可再生能源制氢等载能体的高效转化及存储机制、波动性电源直接制氢等载能体的系统集成及优化、含碳能源制氢等载能体与转化利用过程的多目标有机统一。针对关键科学问题，本文综述了能源科学领域近年来通过自然科学和基础科学等多学科交叉所取得的主要进展和成就，探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略。https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2025//202503-498-508.pdf
终端用能提效减排：路径、趋势及对策
宣益民 刘向雷
摘要：本文总结了钢铁、水泥、化工、交通运输、建筑等我国终端用能重点行业的碳排放现状，梳理了其提效减排的主要路径，主要包括源头低碳、过程减碳、末端捕碳等。凝练了终端用能提效减排未来发展面临的共性关键科学问题，包括：（1）如何发展兼顾不同能源禀赋品质的多能互补用能理论与方法，构建源—网—荷—储耦合关联的智慧能源系统？（2）如何重构燃烧、热力循环和综合能源管理等理论、方法和技术，实现转化—利用—回收—储存一体化协同？（3）如何实现热力学属性和动力学过程之间效率与速率的兼容并包，构建碳捕集、转化与利用循环体系？（4）全生命周期能效与碳排放双约束下，如何构建能流与碳流协同设计、控制与优化方法？最后，给出了促进终端用能行业低碳高质量发展的对策建议：瞄准前沿技术和基础理论创新，加快建立绿色、高效、智慧、安全的终端用能理论体系与方法，提升源头创新能力；加快建立健全相关制度，强化高校—科研机构—企业联动，协同攻关行业高碳排放难题；加大示范引领，加速推进终端用能提效减排技术应用，推动终端用能产业低碳升级。https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2025//202503-509-518.pdf