收藏！美國(guó)國(guó)家科學(xué)院發(fā)布：材料有哪些研究前沿？
導(dǎo)讀：美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)科學(xué)院發(fā)布了針對(duì)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(bào)告。該報(bào)告主要評(píng)估了過(guò)去十年中材料研究領(lǐng)域的進(jìn)展和成就，確定了2020-2030年材料研究的機(jī)遇、挑戰(zhàn)和新方向，并提出了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的建議。
報(bào)告指出，發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家在智能制造和材料科學(xué)等領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)將在未來(lái)十年內(nèi)加劇。隨著美國(guó)在數(shù)字和信息時(shí)代的發(fā)展以及面臨的全球挑戰(zhàn)，材料研究對(duì)美國(guó)的新興技術(shù)、國(guó)家需求和科學(xué)的影響將更加重要。《材料研究前沿：十年調(diào)查》報(bào)告發(fā)布了未來(lái)10年材料研究的機(jī)遇，主要包括九大領(lǐng)域：
*以下轉(zhuǎn)載自中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院，作者張超星。
一、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(dòng)新科技革命和對(duì)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(lái)十年有前景的研究領(lǐng)域包括：
①迄今尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)的在相同長(zhǎng)度和時(shí)間尺度上進(jìn)行耦合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模擬研究；
②原位/操作實(shí)驗(yàn)表征數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析；
③加工方法和材料組分創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)下一代高性能輕質(zhì)合金、超高強(qiáng)度鋼和耐火合金，以及多功能高級(jí)建筑材料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造；
④理解多相高熵合金的固溶效應(yīng)，并通過(guò)開(kāi)發(fā)可靠的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建在常規(guī)合金中不可能出現(xiàn)的微結(jié)構(gòu)；
⑤通過(guò)實(shí)驗(yàn)和建模進(jìn)一步理解納米孿晶材料中的變形機(jī)制、分解應(yīng)力的作用、微觀結(jié)構(gòu)演變的過(guò)程和機(jī)制。
二、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(jī)遇包括：
①將缺陷作為材料設(shè)計(jì)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(guò)渡液相致密化的基本機(jī)制。
②玻璃將作為儲(chǔ)能和非線性光學(xué)器件的固體電解質(zhì)，廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能和量子通信，研究的熱點(diǎn)材料包括絕緣體結(jié)構(gòu)上硅、III-V材料、具有飛秒激光寫(xiě)入特征的硅晶片、非線性光學(xué)材料。
復(fù)合材料和混合材料研究領(lǐng)域的新機(jī)遇包括：
①在聚合物樹(shù)脂基材料和高性能纖維增強(qiáng)材料的成分組成上進(jìn)行創(chuàng)新，使其具有更強(qiáng)的定制性和多功能性；
②開(kāi)發(fā)可以快速評(píng)估和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)合材料的復(fù)雜行為的分析和預(yù)測(cè)工具、多尺度建模工具套件；
③加強(qiáng)多維性能增強(qiáng)及梯度/形態(tài)關(guān)系領(lǐng)域的制造科學(xué)研究。鈣鈦礦材料未來(lái)的潛在研究方向是基于甲基銨的鈣鈦礦太陽(yáng)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(lái)的研究重點(diǎn)是研究外部場(chǎng)（電、磁）對(duì)活性納米粒子組裝過(guò)程的影響。研究具有分布式驅(qū)動(dòng)性能的軟質(zhì)和硬質(zhì)復(fù)合材料，這是制備多材料機(jī)器人的理想材料。
三、半導(dǎo)體及其它電子材料
半導(dǎo)體及其它電子材料未來(lái)的工作重點(diǎn)將轉(zhuǎn)向日益復(fù)雜的單片集成器件、功能更強(qiáng)大的微處理器以及充分利用三維布局的芯片，
半導(dǎo)體及其它電子材料未來(lái)的工作重點(diǎn)將轉(zhuǎn)向日益復(fù)雜的單片集成器件、功能更強(qiáng)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(chǔ)器和邏輯功能的新設(shè)備、能執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)的低能耗架構(gòu)的設(shè)備、能執(zhí)行與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(diǎn)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(jī)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(shí)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(chǎng)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(lái)解決互連中出現(xiàn)的新限制。
四、量子材料
量子材料
量子材料包括超導(dǎo)體、磁性材料、二維材料和拓?fù)洳牧系龋型麑?shí)現(xiàn)變革性的未來(lái)應(yīng)用，涵蓋計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(diǎn)包括研發(fā)可以預(yù)測(cè)新材料結(jié)構(gòu)及性能的理論/計(jì)算/實(shí)驗(yàn)集成的工具；發(fā)現(xiàn)和理解新型超導(dǎo)材料，推動(dòng)相干性和拓?fù)浔Ｗo(hù)研究發(fā)展，進(jìn)一步理解與更廣泛量子信息科學(xué)相關(guān)的物質(zhì)。
磁性材料可能會(huì)出現(xiàn)“磁振子玻色愛(ài)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(lái)自旋動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。
二維材料的重點(diǎn)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(zhǎng)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)和集成裝置的界面（粘附和摩擦）力學(xué)、過(guò)渡金屬二硫化物的低溫合成等。
在拓?fù)洳牧戏矫?，機(jī)械超材料可能是新的重要研究方向，其具有負(fù)泊松比、負(fù)壓縮性和聲子帶隙等新的機(jī)械性能。
五、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。
（1）在環(huán)境領(lǐng)域，聚合物應(yīng)用的目標(biāo)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：
①研究被忽視的原材料（如農(nóng)業(yè)、工業(yè)或人類活動(dòng)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；
②將自修復(fù)材料市場(chǎng)化以提高其壽命、耐用性和回收利用；
③加強(qiáng)分離技術(shù)或其他物理過(guò)程的研發(fā)以實(shí)現(xiàn)混合塑料回收。
（2）在能源和自然資源應(yīng)用領(lǐng)域，研究方向包括：
①提高能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的安全性和效率，包括固體電解質(zhì)、全有機(jī)電池和用于液流電池的氧化還原聚合物；
②開(kāi)發(fā)用于能量轉(zhuǎn)換的聚合物，包括有機(jī)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)；
③開(kāi)發(fā)用于能量-水聯(lián)結(jié)的聚合物，如膜和抗污染材料；
④提高能源效率及能運(yùn)輸清潔水的智能建筑材料；
⑤實(shí)施和整合綠色化學(xué)和工程原理、生命周期/可持續(xù)性思想，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)商品和先進(jìn)聚合物技術(shù)。
（3）在通信和信息領(lǐng)域，研究方向包括：
①在聚合物和有機(jī)半導(dǎo)體中，提高器件中電荷傳輸?shù)碾姾奢d流子遷移率；
②在光電器件中，設(shè)計(jì)和開(kāi)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(jī)和聚合物材料；
③數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)和使用。
（4）在健康領(lǐng)域，研究方向包括：
①提升基于聚合物的納米材料的設(shè)計(jì)，擴(kuò)展至免疫工程等新應(yīng)用；
②開(kāi)發(fā)能進(jìn)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(chǎng)制造可能性的增材制造技術(shù)；
③發(fā)展基于聚合物的組織工程以減少動(dòng)物模型在藥物測(cè)試和材料測(cè)試中的使用。
（5）在基礎(chǔ)聚合物科學(xué)領(lǐng)域，研究方向包括：
①在多個(gè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)等；
②建造和集成能力更強(qiáng)、更易于獲取使用權(quán)的先進(jìn)儀器；
③通過(guò)聯(lián)合創(chuàng)新計(jì)劃來(lái)打破實(shí)驗(yàn)至上和理論至上兩類研究隊(duì)伍之間的認(rèn)知障礙；
④開(kāi)發(fā)可獲得、可擴(kuò)展、同時(shí)具有更綠色生命周期的聚合物。
生物材料的進(jìn)一步發(fā)展需要先進(jìn)的合成方法、新穎的表征工具及先進(jìn)的計(jì)算能力。未來(lái)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(dāng)性質(zhì)和功能的合成材料的制造方法。
未來(lái)無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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(xué)。
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(dòng)力學(xué)、納米結(jié)構(gòu)內(nèi)多個(gè)生物信號(hào)的精確空間定位方法。
六、結(jié)構(gòu)化材料和超材料
結(jié)構(gòu)化材料
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(jìn)行輕量化，可以提高能效、有效負(fù)載能力和生命周期性能以及生活質(zhì)量。未來(lái)的研究方向包括開(kāi)發(fā)用于解耦和獨(dú)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(jì)出來(lái)的具有特定功能（磁、電、振動(dòng)、機(jī)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(lái)研究方向包括：制造用于光子器件的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，控制電磁相位匹配的非線性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)能產(chǎn)生負(fù)折射率的非電子材料，減少電子躍遷的固有損失。
七、能源材料、催化材料和極端環(huán)境材料
能源材料
能源材料的研究方向包括：持續(xù)研發(fā)非晶硅、有機(jī)光伏、鈣鈦礦材料等太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的材料，開(kāi)發(fā)新的發(fā)光材料，研發(fā)低功耗電子器件，開(kāi)發(fā)用于電阻切換的新材料以促進(jìn)神經(jīng)形態(tài)計(jì)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(cè)，高催化性能無(wú)機(jī)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(kuò)展合成方案，催化反應(yīng)中助催化劑在活性位場(chǎng)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(yùn)行的高性能材料，研究方向包括：
①基于科學(xué)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)下一代極端環(huán)境材料，如利用對(duì)材料中與溫度相關(guān)的納米級(jí)變形機(jī)制的理解來(lái)改進(jìn)合金的設(shè)計(jì)，利用對(duì)腐蝕機(jī)理的科學(xué)理解來(lái)設(shè)計(jì)新的耐腐蝕材料；
②理解極端條件下材料性能極限和基本退化機(jī)理。
八、水、可持續(xù)性和潔凈技術(shù)中的材料研究
碳捕集和儲(chǔ)存的材料
碳捕集和儲(chǔ)存的材料研究的機(jī)遇包括：基于溶劑、吸附劑和膜材料的碳捕集，金屬有機(jī)框架等新型碳捕集材料，電化學(xué)捕集，通過(guò)地質(zhì)材料進(jìn)行碳封存。
潔凈水的材料問(wèn)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(xué)現(xiàn)象，需要開(kāi)發(fā)新材料、新表征方法和新界面化學(xué)品。
可再生能源儲(chǔ)存方面的材料研究基于：研發(fā)多價(jià)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(chǔ)氫的新材料以實(shí)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(dú)特的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，未來(lái)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(jìn)燃料電池的非鉑催化劑。
九、移動(dòng)、儲(chǔ)存、泵送和管理熱能的材料
熱管理
熱管理已成為從電池到高超音速飛機(jī)等諸多技術(shù)中最重要的方面之一，因?yàn)樵诟咝枨蟮脑O(shè)備和應(yīng)用中，效率的微小提高會(huì)對(duì)能源的使用產(chǎn)生重大影響，需要加強(qiáng)能存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、泵送和管理熱能材料的開(kāi)發(fā)。研究方向包括：
①開(kāi)發(fā)更穩(wěn)定和耐腐蝕的材料，或開(kāi)發(fā)具有較大熔化熱變化的新型相變材料，以提高太陽(yáng)能熱存儲(chǔ)效率；
②開(kāi)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；
③通過(guò)外力改變熱特性或研究相變，開(kāi)發(fā)新的有源熱材料。
來(lái)源：蠅國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院