随着研究的深入，人们认识到材料变得越来越复杂化。在空间维度上，基于平移对称性的长程有序晶体结构往往并不能有效、准确地描述材料的原子结构。比如多组元合金中，多种邻近元素的原子无序占据高对称性的晶格格点位置，化学起伏造成的电子浓度涨落以及原子适配造成的局域应变涨落使得材料的实际结构严重偏离高对称性的平均结构。而在介观尺度上，不同于均匀结构的传统材料，具有梯度结构、核壳结构、多级结构等特殊结构的异构材料先后被报道。在时间维度上，材料准静态结构和性能往往不能真实地反映材料的本来面貌，而这必须诉诸材料的瞬态结构和性质。自然地，按照结构决定性能的朴素观点，材料结构的时空不均匀性直接导致了性能表达的不确定性。
然而，面对这些材料科学的基本科学问题，传统实验室表征手段往往力不从心，越来越依赖大科学装置表征技术。例如，对分布函数分析是研究无序材料最有效的方法之一，高质量的对分布函数数据只能在大型散裂中子源和高能同步辐射光源相应谱仪上才能获得。科研人员利用同步辐射X射线和中子对锂离子电池的工作过程进行了联合成像，直接描绘出了离子迁移和电池力学性能退化的实时演化过程。
在工程应用领域，材料及其构件的服役行为研究是关键一环，大科学装置依然发挥着重要作用。尤其是中子，因其穿透性好，易与复杂样品相兼容，成为原位工况条件下对大型工件进行实时研究的最佳手段。早在20世纪70年代，罗罗公司就在英国Herald反应堆建立了中子成像装置，对装备山猫直升机的宝石(GEM)涡轴发动机进行了研究。近年来，随着大型散裂中子源的建设，高承重、大空间、多场耦合的复杂样品环境获得空前发展，为该项研究提供了良好的机遇。例如科研人员利用英国散裂中子源工程材料谱仪ENGIN-X，研究了铝合金机翼焊接结构的残余应力分布。
由于大科学装置在基础和工程研究中均具有重要作用，因此依托大科学装置开展建制化研究，有助于贯通材料研究的全链条，快速推进基础研究成果的工程化应用；同时，重大工程问题的解决需要多学科交叉，建制化的科研组织模式又是有效满足国家需求的路径保证。
建制化的研究模式是相对于兴趣驱动的自由探索研究而言的，前者是聚焦型，后者是发散型。由于美国在大科学装置建设和运行方面具有得天独厚的优势，因此依托大科学装置的建制化材料研究也走在了前列。美国能源部组织多个国家实验室的优势力量，依托大科学装置布局了多个研究联合体，如轻量化材料联合体(The Lightweight Materials Consortium)、氢材料联合体(Hydrogen Materials Consortium)、持久性模组材料联合体(Durable Module Materials Consortium)等，针对材料领域的关键科学技术问题进行联合攻关。如图1所示，以轻量化材料研究联合体为例，该项研究涵盖了材料表征、计算、加工制造等多个环节。无独有偶，日本文部省也推出了“元素战略计划”，依托散裂中子源J-PARC、高能同步辐射装置SPring-8和超级计算机“京”，组织日本的顶尖高校、研究机构和领军企业，围绕磁性材料、电子材料、催化剂和电池材料及结构材料开展了联合研究。
图1
由此看来，依托大科学装置开展建制化材料研究已成为现实之需，也是构建材料科学研究新范式的必然选项。近年来，我国大科学装置建设和运行取得了长足的进展，上海光源和散裂中子源已经对用户开放，散裂中子源二期和高能同步辐射光源正在加快建设。在当前及今后相当长的一个时期里，大力推进大科学装置表征技术在材料领域的应用成为一项重要任务，这也为利用该技术开展材料科学研究提供了一个历史性的机遇期。中国科学院作为我国大科学装置建设和运行的主要单位，审时度势，推出了依托重大科技基础设施的建制化研究平台计划，统筹院内优势力量，综合利用院内各类大科学装置，围绕科学前沿和国家需求中的重大问题开展了联合攻关研究。
目前，国内学者在大科学装置材料研究领域已做出了很多出色的研究成果。鉴于此，我们邀请了国内部分研究团队撰写相关论文，系统介绍在该领域取得的特色或创新性研究成果，出版一期专刊。《金属学报》是我国材料冶金领域久负盛名的学术期刊，此次专刊汇集了综述论文2篇、研究论文12篇，研究方向包括特殊钢、高温合金、钛合金、金属玻璃、复合材料、磁性材料、催化材料等，对国内基于大科学装置表征技术的材料研究具有重要的参考价值和指导意义，也必将带动大科学装置表征技术的高水平创新发展。
