學科交叉融合：推動科技創新的新支點

周濟，清華大學材料學院教授，中國工程院院士，長期從事信息功能材料的研究。發明了高性能低溫燒結陶瓷電磁介質材料，解決了無源電子元器件片式化和集成的關鍵技術難題，推動了我國片式電感器和無源集成產業的形成和發展；提出了超材料與自然材料融合的思想，基于該理念設計出了一系列具有奇異物理特性和應用功能的新型材料。先后獲國家自然科學獎二等獎、國家技術發明獎二等獎等獎勵，榮獲全國優秀科技工作者等稱號。

當前，學科之間的交叉與融合受到了前所未有的關注和重視。近年來，一系列旨在促進學科交叉融合的國家戰略舉措相繼出臺，如國家自然科學基金委員會成立了交叉科學部，國務院學位委員會將“交叉學科”列為第14個學科門類等。2021年，國內首個以推動學科交叉融合的專業學術團體——北京交叉科學學會正式成立。我一直在思考一個問題：在全球新一輪科技革命和產業變革的大背景下，從國家戰略層面上推動學科交叉的意義何在？換句話說，學科的交叉融合這樣一個學術共同體內部的行為在驅動創新、引領國家發展方面能夠發揮怎樣的作用？

交叉科學有望為新一輪科技革命提供源頭

新一輪科技革命和產業變革將重構全球創新版圖、重塑全球經濟結構，成為未來若干年世界各國發展所面臨的最大機遇與挑戰。然而，關于這一輪科技革命的源頭卻缺乏共識。人類歷史上經歷過的三次科技革命和產業變革均以重大科學突破主要是物理學的重大突破為科學源頭——第一次科技革命的基礎是牛頓力學，第二次科技革命的基礎是電磁理論，第三次科技革命的基礎是量子力學。因此，研判新一輪科技革命和產業變革的基本特征和發展路向，無法繞開其發生的科學基礎。目前流行的觀點認為，新一輪技術變革以數字化、智能化以及萬物互聯等為主要特征，我個人認為這種觀點值得商榷。因為從科學基礎上看，數字化、智能化技術依然是第三次科技革命，即信息技術革命的延展和成果應用。近一百年物理學領域未能出現可與牛頓力學、電磁理論及量子力學比肩的重大科學突破，其他領域的重大突破也寥若星辰，單一學科的新突破似乎難以支撐像前三次科技革命那樣重大的科技變革。相比之下，各大科學領域、各個學科間的交叉融合則存在著巨大的潛力。例如，在物質科學、信息科學和生命科學三大領域之間的交叉融合基礎上產生了人工智能、基因組學、腦機融合、人機融合等前沿科技，有可能成為第四次科技革命和產業變革的突破口，進一步引發的新科技有望深刻改變人類文明進程乃至人類本身。從這一意義上講，抓住了學科交叉融合，就有望把握住新一輪科技革命的源頭。

學科交叉融合為科學研究的范式變革提供了新路徑

科學研究的范式變革往往是重大科技創新的重要標志。而按照“范式”這一概念的提出者、美國科學哲學家庫恩的觀點，科學研究的范式變革往往是在舊的范式出現危機的時候發生，而這樣的機會是隨機的、可遇而不可求的。如何通過有組織的科研去推進科學研究的范式變革？我認為，學科間的交叉融合提供了一種可能性。現代科學中學科的劃分導致了不同科學領域獨立發展，形成了各自迥異的研究范式。而學科間的交叉融合則可能為不同學科間范式的相互借鑒，進而實現學科范式的變革提供了一種路徑。材料科學領域的新分支超材料可提供一個典型案例。材料科學是實驗科學，其研究的主流范式是先制備出材料，然后去研究材料的性質，再進一步改進材料的組成和制備方法進而改善材料的性質，并在此基礎上建立材料組成—結構—性質的關系。本世紀初，超材料這一概念在科學界出現。超材料是通過人工結構獲得的、具有自然界所不具備的新的性質的人工結構，其研究范式很類似于電子學，即通過已知功能的單元構筑系統，超材料早期的研究者主要來自于電子學和物理學領域，這種研究范式對于他們來說是習以為常的。而作為最早從材料領域進入超材料研究的研究者，我們深刻認識到，超材料不僅代表了一系列新材料，也給出了一種構筑材料的新范式，因此致力于開發超材料的方法論價值，提出了超材料與常規材料的融合的思想。基于這種思想，不僅率先研制出了介質超材料等具有優異特性的新材料，也為常規材料性能的突破提供了新的思路。

學科交叉融合是破解“卡脖子”問題的捷徑

“卡脖子”問題的出現從表象上看是大國博弈背景下設置技術壁壘的后果，其本質上反映出的是在解決復雜技術問題上對國外已有技術的路徑依賴。事實上，解決這樣一些復雜問題往往不只有一條道路。而沿用單一學科或已有技術體系給出的解決問題方式，尋找新的道路往往比較困難。通過學科的交叉，引入新的解決問題思路，則可能另辟蹊徑去解決這些問題。我們在20年前攻克的片式電感器技術就是一個很好的例子。電感器的片式化是上世紀末國際無源電子元件領域的重要突破之一，其核心技術是用鐵氧體與金屬導線結構實現共燒，需要具有低溫燒結特性的軟磁鐵氧體材料。20世紀90年代，我國開始從國外引進這類新元件的生產裝備，但關鍵材料卻遭遇國外封鎖，成為當時制約國內電子元器件發展的“卡脖子”問題。在“九五”國家863計劃的支持下，我們開展了片式電感器關鍵材料的研發工作，通過材料學、物理學和化學的深度融合，率先將物理學和化學的一些原理引入到陶瓷材料設計和燒結工藝，不僅成功繞開了國外的專利封鎖，還獲得了當時國際上性能最高的兼具高性能和低溫燒結雙重優勢的軟磁鐵氧體材料，為此后我國片式電感器產業的迅速崛起提供了關鍵支撐條件。

學科交叉融合是構建創新文化、培養高素質創新型人才的重要途徑

創新文化的氛圍、科學精神的土壤是形成創新型國家、建設科技強國的必要條件，是源源不斷地產生思想活躍、能夠跳出慣性思維的科技創新人才的基本保證。而學科的交叉融合，對創新文化的形成、科學精神的培育以及創新型人才的培養有著重要意義。通過學科交叉融合，跨越學科界限，有助于形成新的思維維度，提升科技工作者乃至全社會的科學素養、探索熱情、想象力和創造力。特別值得指出的是，在科學高度分化、學科間壁壘越來越高的今天，跨學科教育對于讓學生建立全景式知識系統、提升思維能力方面尤為重要。北京地區作為全球最活躍的創新區域之一，有著雄厚的科研資源、齊全的學科專業，高校和科研機構云集并在空間上也比較集中，是推動學科交叉融合、構建創新文化的理想之地，我們期待能夠通過我們的努力，使北京成為學科交叉融合的學術高地，為建設首都國際科技創新中心、成為我國自主創新的重要源頭和原始創新的主要策源地盡我們的微薄之力。

另外需要補充的一點是，學科的交叉融合是一個動態過程，不宜人為劃定哪些學科屬于交叉學科。事實上，任何學科的發展往往都需要借鑒、融合其他學科的知識和方法，學科交叉也發展出成熟的新學科，如物理化學、生物物理學等，而幾乎所有工程科學都是融合若干基礎科學的基礎上發展的。因此，對交叉學科的支持也應該有所取舍、有所側重，應重點關注尚未形成學科交叉或尚待成熟的交叉領域。有鑒于此，我們提出關注“大交叉”，如自然科學和社會科學的交叉、科技與藝術的交叉、生命科學與物質科學的交叉等。

學科的交叉融合有望成為推動科技創新的重要抓手，將學科交叉融合納入國家科技強國戰略意義重大。期待有更多支持、扶植、推動交叉學科發展的新戰略、新舉措出臺。