材料研究前沿:十年調(diào)查

美國國家科學院發(fā)布了針對材料研究的第三次十年調(diào)查《材料研究前沿：十年調(diào)查》報告。這次的調(diào)查主要評估了過去十年中材料研究領(lǐng)域的進展和成就，確定了2020-2030年材料研究的機遇、挑戰(zhàn)和新方向，并提出了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的建議。

《材料研究前沿：十年調(diào)查》報告指出，發(fā)達國家和發(fā)展中國家在智能制造和材料科學等領(lǐng)域的競爭將在未來十年內(nèi)加劇。隨著美國在數(shù)字和信息時代的發(fā)展以及面臨的全球挑戰(zhàn)，材料研究對美國的新興技術(shù)、國家需求和科學的影響將更加重要。報告認為材料研究的機遇包括9個方面：

01

金 屬

2020-2030年，金屬和合金領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究將繼續(xù)推動新科技革命和對材料行為的更深入理解，從而產(chǎn)生新的材料設(shè)備和系統(tǒng)。未來十年有前景的研究領(lǐng)域包括：迄今尚無法實現(xiàn)的在相同長度和時間尺度上進行耦合實驗和計算模擬研究；原位/操作實驗表征數(shù)據(jù)的實時分析；加工方法和材料組分創(chuàng)新，以實現(xiàn)下一代高性能輕質(zhì)合金、超高強度鋼和耐火合金，以及多功能高級建筑材料系統(tǒng)的設(shè)計和制造；理解多相高熵合金的固溶效應(yīng)，并通過開發(fā)可靠的實驗和計算熱力學數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建在常規(guī)合金中不可能出現(xiàn)的微結(jié)構(gòu)；通過實驗和建模進一步理解納米孿晶材料中的變形機制、分解應(yīng)力的作用、微觀結(jié)構(gòu)演變的過程和機制。

02

陶瓷、玻璃、復(fù)合材料和混合材料

陶瓷和玻璃研究領(lǐng)域的新機遇包括：將缺陷作為材料設(shè)計的新維度，理解晶界相演化與晶相演變，確定制造陶瓷的節(jié)能工藝，生產(chǎn)更致密和超高溫的陶瓷，探索冷燒結(jié)技術(shù)產(chǎn)生的過渡液相致密化的基本機制。玻璃將作為儲能和非線性光學器件的固體電解質(zhì)，廣泛應(yīng)用于儲能和量子通信，研究的熱點材料包括絕緣體結(jié)構(gòu)上硅、III-V材料、具有飛秒激光寫入特征的硅晶片、非線性光學材料。

復(fù)合材料和混合材料研究領(lǐng)域的新機遇包括：在聚合物樹脂基材料和高性能纖維增強材料的成分組成上進行創(chuàng)新，使其具有更強的定制性和多功能性；開發(fā)可以快速評估和準確預(yù)測復(fù)合材料的復(fù)雜行為的分析和預(yù)測工具、多尺度建模工具套件；加強多維性能增強及梯度/形態(tài)關(guān)系領(lǐng)域的制造科學研究。鈣鈦礦材料未來的潛在研究方向是基于甲基銨的鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性以及有毒元素的替代研究。聚合物/納米顆?；旌喜牧虾图{米復(fù)合材料未來的研究重點是研究外部場（電、磁）對活性納米粒子組裝過程的影響。研究具有分布式驅(qū)動性能的軟質(zhì)和硬質(zhì)復(fù)合材料，這是制備多材料機器人的理想材料。

03

半導(dǎo)體及其它電子材料

半導(dǎo)體及其它電子材料未來的工作重點將轉(zhuǎn)向日益復(fù)雜的單片集成器件、功能更強大的微處理器以及充分利用三維布局的芯片，這需要研發(fā)新材料，以用于結(jié)合存儲器和邏輯功能的新設(shè)備、能執(zhí)行機器學習的低能耗架構(gòu)的設(shè)備、能執(zhí)行與傳統(tǒng)計算機邏輯和架構(gòu)截然不同的算法的設(shè)備。器件小型化和超越小型化方面的研究重點是提升極紫外（EUV）光刻的制造能力和薄膜壓電材料性能。金屬微機電系統(tǒng)合金的沉積技術(shù)和成形技術(shù)的發(fā)展有望實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)。下一代信息和能源系統(tǒng)將需要能提供更高功率密度、更高效率和更小占位面積的新型電子材料和器件。集成和封裝的變化以及場效應(yīng)晶體管、自旋電子器件和光子器件等新器件的出現(xiàn)，需要研發(fā)新材料來解決互連中出現(xiàn)的新限制。

04

量子材料

量子材料包括超導(dǎo)體、磁性材料、二維材料和拓撲材料等，有望實現(xiàn)變革性的未來應(yīng)用，涵蓋計算、數(shù)據(jù)存儲、通信、傳感和其他新興技術(shù)領(lǐng)域。超導(dǎo)體方面的研究前沿是發(fā)現(xiàn)新材料、制備單晶、了解材料的分層結(jié)構(gòu)及功能組件，研究重點包括研發(fā)可以預(yù)測新材料結(jié)構(gòu)及性能的理論/計算/實驗集成的工具；發(fā)現(xiàn)和理解新型超導(dǎo)材料，推動相干性和拓撲保護研究發(fā)展，進一步理解與更廣泛量子信息科學相關(guān)的物質(zhì)。磁性材料可能會出現(xiàn)“磁振子玻色愛因斯坦凝聚”等新集體自旋模式，非鐵金屬制備的反鐵磁體將成為未來自旋動力學領(lǐng)域的重點研究方向。二維材料的重點研究方向包括：高質(zhì)量二維材料及其多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可控增長、異質(zhì)結(jié)構(gòu)和集成裝置的界面（粘附和摩擦）力學、過渡金屬二硫化物的低溫合成等。在拓撲材料方面，機械超材料可能是新的重要研究方向，其具有負泊松比、負壓縮性和聲子帶隙等新的機械性能。

05

聚合物、生物材料和其他軟物質(zhì)

聚合物將在環(huán)境、能源和自然資源應(yīng)用、通信和信息、健康等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

在環(huán)境領(lǐng)域

聚合物應(yīng)用的目標是以有效和可持續(xù)的方式使用原料和聚合物產(chǎn)品，研究方向包括：研究被忽視的原材料（如農(nóng)業(yè)、工業(yè)或人類活動產(chǎn)生的廢物，其他含碳或硅的物質(zhì)）使其形成有用的聚合物材料；將自修復(fù)材料市場化以提高其壽命、耐用性和回收利用；加強分離技術(shù)或其他物理過程的研發(fā)以實現(xiàn)混合塑料回收。

在能源和自然資源應(yīng)用領(lǐng)域

研究方向包括：提高能量存儲系統(tǒng)的安全性和效率，包括固體電解質(zhì)、全有機電池和用于液流電池的氧化還原聚合物；開發(fā)用于能量轉(zhuǎn)換的聚合物，包括有機光伏和LED、薄膜晶體管、熱電材料、導(dǎo)致柔性和可穿戴系統(tǒng)；開發(fā)用于能量-水聯(lián)結(jié)的聚合物，如膜和抗污染材料；提高能源效率及能運輸清潔水的智能建筑材料；實施和整合綠色化學和工程原理、生命周期/可持續(xù)性思想，設(shè)計開發(fā)商品和先進聚合物技術(shù)。

在通信和信息領(lǐng)域

研究方向包括：在聚合物和有機半導(dǎo)體中，提高器件中電荷傳輸?shù)碾姾奢d流子遷移率；在光電器件中，設(shè)計和開發(fā)考慮了結(jié)構(gòu)/性質(zhì)/工藝之間關(guān)系的半導(dǎo)體有機和聚合物材料；數(shù)據(jù)庫的開發(fā)和使用。

在健康領(lǐng)域

研究方向包括：提升基于聚合物的納米材料的設(shè)計，擴展至免疫工程等新應(yīng)用；開發(fā)能進一步控制微納結(jié)構(gòu)以及提高設(shè)備和植入物的定制、一次成型和現(xiàn)場制造可能性的增材制造技術(shù)；發(fā)展基于聚合物的組織工程以減少動物模型在藥物測試和材料測試中的使用。

在基礎(chǔ)聚合物科學領(lǐng)域

研究方向包括：在多個尺度范圍內(nèi)研究聚合物的合成、結(jié)構(gòu)控制、性質(zhì)表征、動態(tài)響應(yīng)等；建造和集成能力更強、更易于獲取使用權(quán)的先進儀器；通過聯(lián)合創(chuàng)新計劃來打破實驗至上和理論至上兩類研究隊伍之間的認知障礙；開發(fā)可獲得、可擴展、同時具有更綠色生命周期的聚合物。

生物材料的進一步發(fā)展需要先進的合成方法、新穎的表征工具及先進的計算能力。未來的研究方向包括研究軟物質(zhì)的自主行為以及掌握具有與肌肉骨骼組織相當性質(zhì)和功能的合成材料的制造方法。未來無機生物材料的重要研究方向包含生物金屬的金屬材料和陶瓷生物材料、用無機粉末的增材制造技術(shù)、生物分子材料性能的提升及糖化學。軟生物材料的重要方向包括超分子組件中的結(jié)構(gòu)控制、水凝膠材料中水的組織和動力學、納米結(jié)構(gòu)內(nèi)多個生物信號的精確空間定位方法。

06

結(jié)構(gòu)化材料和超材料

結(jié)構(gòu)化材料具有量身定制的材料特性和響應(yīng)，使用結(jié)構(gòu)化材料進行輕量化，可以提高能效、有效負載能力和生命周期性能以及生活質(zhì)量。未來的研究方向包括開發(fā)用于解耦和獨立優(yōu)化特性的穩(wěn)健方法，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化多材料系統(tǒng)等。

超材料是設(shè)計出來的具有特定功能（磁、電、振動、機械等）響應(yīng)的結(jié)構(gòu)化材料，這些功能一般在自然界不存在。超材料的未來研究方向包括：制造用于光子器件的納米級結(jié)構(gòu)，控制電磁相位匹配的非線性設(shè)計，設(shè)計能產(chǎn)生負折射率的非電子材料，減少電子躍遷的固有損失。

07

能源材料、催化材料和極端環(huán)境材料

能源材料的研究方向包括：持續(xù)研發(fā)非晶硅、有機光伏、鈣鈦礦材料等太陽能轉(zhuǎn)換為電能的材料，開發(fā)新的發(fā)光材料，研發(fā)低功耗電子器件，開發(fā)用于電阻切換的新材料以促進神經(jīng)形態(tài)計算發(fā)展。催化材料的研究方向包括：改良催化材料的理論預(yù)測，高催化性能無機核/殼納米顆粒的合成，高效催化劑適合工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用的可擴展合成方案，催化反應(yīng)中助催化劑在活性位場上的選擇性沉積，二維材料催化劑的研究。

極端環(huán)境材料是指在各種極端操作環(huán)境下能符合條件地運行的高性能材料，研究方向包括：基于科學的設(shè)計開發(fā)下一代極端環(huán)境材料，如利用對材料中與溫度相關(guān)的納米級變形機制的理解來改進合金的設(shè)計，利用對腐蝕機理的科學理解來設(shè)計新的耐腐蝕材料；理解極端條件下材料性能極限和基本退化機理。

08

水、可持續(xù)性和潔凈技術(shù)中的材料研究

碳捕集和儲存的材料研究的機遇包括：基于溶劑、吸附劑和膜材料的碳捕集，金屬有機框架等新型碳捕集材料，電化學捕集，通過地質(zhì)材料進行碳封存。潔凈水的材料問題涉及膜、吸附劑、催化劑和地下地質(zhì)構(gòu)造中的界面材料科學現(xiàn)象，需要開發(fā)新材料、新表征方法和新界面化學品?？稍偕茉磧Υ娣矫娴牟牧涎芯炕冢貉邪l(fā)多價離子導(dǎo)體和新的電池材料以提高鋰離子電池能量密度，研發(fā)高能量密度儲氫的新材料以實現(xiàn)水分解/燃料電池能量系統(tǒng)。

聚合物材料為可持續(xù)清潔技術(shù)領(lǐng)域提供獨特的機遇和挑戰(zhàn)，未來研究方向包括：利用可持續(xù)材料制備新塑料的方法，高度天然豐富的聚合物（如纖維素）的有效加工方式，稀土的高效使用、非稀土替代品的尋找和制備，稀土材料的回收和再利用，用于先進燃料電池的非鉑催化劑。

09

移動、儲存、泵送和管理熱能的材料

熱管理已成為從電池到高超音速飛機等諸多技術(shù)中最重要的方面之一，因為在高需求的設(shè)備和應(yīng)用中，效率的微小提高會對能源的使用產(chǎn)生重大影響，需要加強能存儲、轉(zhuǎn)換、泵送和管理熱能材料的開發(fā)。研究方向包括：開發(fā)更穩(wěn)定和耐腐蝕的材料，或開發(fā)具有較大熔化熱變化的新型相變材料，以提高太陽能熱存儲效率；開發(fā)新的熱電材料，聚焦能量色散關(guān)系明顯偏離傳統(tǒng)譜帶的固體材料；通過外力改變熱特性或研究相變，開發(fā)新的有源熱材料。