美國國家科學院發布：材料有哪些研究前沿？

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

《材料研究前沿：十年調查》報告指出，發達國家和發展中國家在智能製造和材料科學等領域的競爭將在未來十年內加劇。隨著美國在數字和信息時代的發展以及面臨的全球挑戰，材料研究對美國的新興技術、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。

1.金屬

2020-2030年，金屬和合金領域的基礎研究將繼續推動新科技革命和對材料行為的更深入理解，從而產生新的材料設備和系統。未來十年有前景的研究領域包括：迄今尚無法實現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/操作實驗表徵數據的實時分析；加工方法和材料組分創新，以實現下一代高性能輕質合金、超高強度鋼和耐火合金，以及多功能高級建築材料系統的設計和製造；理解多相高熵合金的固溶效應，並通過開發可靠的實驗和計算熱力學資料庫創建在常規合金中不可能出現的微結構；通過實驗和建模進一步理解納米孿晶材料中的變形機制、分解應力的作用、微觀結構演變的過程和機制。

2.陶瓷、玻璃、複合材料和混合材料

陶瓷和玻璃研究領域的新機遇包括：將缺陷作為材料設計的新維度，理解晶界相演化與晶相演變，確定製造陶瓷的節能工藝，生產更緻密和超高溫的陶瓷，探索冷燒結技術產生的過渡液相緻密化的基本機制。玻璃將作為儲能和非線性光學器件的固體電解質，廣泛應用於儲能和量子通信，研究的熱點材料包括絕緣體結構上硅、III-V材料、具有飛秒激光寫入特徵的硅晶片、非線性光學材料。

複合材料和混合材料研究領域的新機遇包括：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新，使其具有更強的定製性和多功能性；開發可以快速評估和準確預測複合材料的複雜行為的分析和預測工具、多尺度建模工具套件；加強多維性能增強及梯度/形態關係領域的製造科學研究。鈣鈦礦材料未來的潛在研究方向是基於甲基銨的鈣鈦礦太陽能電池的穩定性以及有毒元素的替代研究。聚合物/納米顆粒混合材料和納米複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。研究具有分散式驅動性能的軟質和硬質複合材料，這是製備多材料機器人的理想材料。

3.半導體及其它電子材料

半導體及其它電子材料未來的工作重點將轉向日益複雜的單片集成器件、功能更強大的微處理器以及充分利用三維布局的晶元，這需要研發新材料，以用於結合存儲器和邏輯功能的新設備、能執行機器學習的低能耗架構的設備、能執行與傳統計算機邏輯和架構截然不同的演算法的設備。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）光刻的製造能力和薄膜壓電材料性能。金屬微機電系統合金的沉積技術和成形技術的發展有望實現物聯網。下一代信息和能源系統將需要能提供更高功率密度、更高效率和更小佔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晶體管、自旋電子器件和光子器件等新器件的出現，需要研發新材料來解決互連中出現的新限制。

4.量子材料

量子材料包括超導體、磁性材料、二維材料和拓撲材料等，有望實現變革性的未來應用，涵蓋計算、數據存儲、通信、感測和其他新興技術領域。超導體方面的研究前沿是發現新材料、製備單晶、了解材料的分層結構及功能組件，研究重點包括研發可以預測新材料結構及性能的理論/計算/實驗集成的工具；發現和理解新型超導材料，推動相干性和拓撲保護研究發展，進一步理解與更廣泛量子信息科學相關的物質。磁性材料可能會出現「磁振子玻色愛因斯坦凝聚」等新集體自旋模式，非鐵金屬製備的反鐵磁體將成為未來自旋動力學領域的重點研究方向。二維材料的重點研究方向包括：高質量二維材料及其多層異質結構的可控增長、異質結構和集成裝置的界面（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。

5.聚合物、生物材料和其他軟物質

聚合物將在環境、能源和自然資源應用、通信和信息、健康等領域發揮重要作用。

在環境領域

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

在能源和自然資源應用領域

研究方向包括：提高能量存儲系統的安全性和效率，包括固體電解質、全有機電池和用於液流電池的氧化還原聚合物；開發用於能量轉換的聚合物，包括有機光伏和LED、薄膜晶體管、熱電材料、導致柔性和可穿戴系統；開發用於能量-水聯結的聚合物，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築材料；實施和整合綠色化學和工程原理、生命周期/可持續性思想，設計開發商品和先進聚合物技術。

在通信和信息領域

研究方向包括：在聚合物和有機半導體中，提高器件中電荷傳輸的電荷載流子遷移率；在光電器件中，設計和開發考慮了結構/性質/工藝之間關係的半導體有機和聚合物材料；資料庫的開發和使用。

在健康領域

研究方向包括：提升基於聚合物的納米材料的設計，擴展至免疫工程等新應用；開發能進一步控制微納結構以及提高設備和植入物的定製、一次成型和現場製造可能性的增材製造技術；發展基於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。

在基礎聚合物科學領域

研究方向包括：在多個尺度範圍內研究聚合物的合成、結構控制、性質表徵、動態響應等；建造和集成能力更強、更易於獲取使用權的先進儀器；通過聯合創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展需要先進的合成方法、新穎的表徵工具及先進的計算能力。未來的研究方向包括研究軟物質的自主行為以及掌握具有與肌肉骨骼組織相當性質和功能的合成材料的製造方法。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、用無機粉末的增材製造技術、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構控制、水凝膠材料中水的組織和動力學、納米結構內多個生物信號的精確空間定位方法。

6.結構化材料和超材料

結構化材料具有量身定製的材料特性和響應，使用結構化材料進行輕量化，可以提高能效、有效負載能力和生命周期性能以及生活質量。未來的研究方向包括開發用於解耦和獨立優化特性的穩健方法，創建結構化多材料系統等。

超材料是設計出來的具有特定功能（磁、電、振動、機械等）響應的結構化材料，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：製造用於光子器件的納米級結構，控制電磁相位匹配的非線性設計，設計能產生負折射率的非電子材料，減少電子躍遷的固有損失。

7.能源材料、催化材料和極端環境材料

能源材料的研究方向包括：持續研發非晶硅、有機光伏、鈣鈦礦材料等太陽能轉換為電能的材料，開發新的發光材料，研發低功耗電子器件，開發用於電阻切換的新材料以促進神經形態計算髮展。催化材料的研究方向包括：改良催化材料的理論預測，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生產及應用的可擴展合成方案，催化反應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。

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

8.水、可持續性和潔凈技術中的材料研究

碳捕集和儲存的材料研究的機遇包括：基於溶劑、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、催化劑和地下地質構造中的界面材料科學現象，需要開發新材料、新表徵方法和新界面化學品。可再生能源儲存方面的材料研究基於：研發多價離子導體和新的電池材料以提高鋰離子電池能量密度，研發高能量密度儲氫的新材料以實現水分解/燃料電池能量系統。

聚合物材料為可持續清潔技術領域提供獨特的機遇和挑戰，未來研究方向包括：利用可持續材料製備新塑料的方法，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製備，稀土材料的回收和再利用，用於先進燃料電池的非鉑催化劑。

9.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中最重要的方面之一，因為在高需求的設備和應用中，效率的微小提高會對能源的使用產生重大影響，需要加強能存儲、轉換、泵送和管理熱能材料的開發。研究方向包括：開發更穩定和耐腐蝕的材料，或開發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；開發新的熱電材料，聚焦能量色散關係明顯偏離傳統譜帶的固體材料；通過外力改變熱特性或研究相變，開發新的有源熱材料。

文章來源：中國科學院科技戰略諮詢研究院

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