2019-06-21
美国国家科学院宣布了针对证料研究的第三次十年视察《质料研究前沿：十年视察》报告。这次的视察主要评估了已往十年中质料研究领域的进展和成绩，确定了2020-2030年质料研究的机缘、挑战和新偏向，并提出了应对这些挑战的建议。
《质料研究前沿：十年视察》报告指出，兴旺国家和生长中国家在智能制造和质料科学等领域的竞争将在未来十年内加剧。随着美国在数字和信息时代的生长以及面临的全球挑战，质料研究对美国的新兴技术、国家需求和科学的影响将越发重要。报告认为质料研究的机缘包括9个方面：
一、金 属
2020-2030年，金属和合金领域的基础研究将继续推动新科技革命和对证料行为的更深入理解，从而爆发新的质料设备和系统。未来十年有前景的研究领域包括：迄今尚无法实现的在相同长度和时间标准上进行耦合实验和盘算模拟研究；原位/操作实验表征数据的实时剖析；加工要领和质料组分立异，以实现下一代高性能轻质合金、超高强度钢和耐火合金，以及多功效高级建筑质料系统的设计和制造；理解多相高熵合金的固溶效应，并通过开发可靠的实验和盘算热力学数据库创立在通例合金中不可能泛起的微结构；通过实验和建模进一步理解纳米孪晶质料中的变形机制、剖析应力的作用、微观结构演变的历程和机制。
二、陶瓷、玻璃、复合质料和混淆质料
陶瓷和玻璃研究领域的新机缘包括：将缺陷作为质料设计的新维度，理解晶界相演化与晶相演变，确定制造陶瓷的节能工艺，生产更致密和超高温的陶瓷，探索冷烧结技术爆发的过渡液相致密化的基本机制。玻璃将作为储能和非线性光学器件的固体电解质，广泛应用于储能和量子通信，研究的热点质料包括绝缘体结构上硅、III-V质料、具有飞秒激光写入特征的硅晶片、非线性光学质料。
复合质料和混淆质料研究领域的新机缘包括：在聚合物树脂基质料和高性能纤维增强质料的身分组成上进行立异，使其具有更强的定制性和多功效性；开发可以快速评估和准确预测复合质料的庞大行为的剖析和预测工具、多标准建模工具套件；增强多维性能增强及梯度/形态关系领域的制造科学研究。钙钛矿质料未来的潜在研究偏向是基于甲基铵的钙钛矿太阳能电池的稳定性以及有毒元素的替代研究。聚合物/纳米颗�；煜柿虾湍擅赘春现柿衔蠢吹难芯恐氐闶茄芯客獠砍。ǖ纭⒋牛┒曰钚阅擅琢Ｗ幼樽袄痰挠跋�。研究具有漫衍式驱动性能的软质和硬质复合质料，这是制备多质料机械人的理想质料。
三、半导体及其它电子质料
半导体及其它电子质料未来的事情重点将转向日益庞大的单片集成器件、功效更强大的微处理器以及充分利用三维结构的芯片，这需要研发新质料，以用于结合存储器和逻辑功效的新设备、能执行机械学习的低能耗架构的设备、能执行与古板盘算机逻辑和架构截然差别的算法的设备。器件小型化和逾越小型化方面的研究重点是提升极紫外（EUV）光刻的制造能力和薄膜压电质料性能。金属微机电系统合金的沉积技术和成形技术的生长有望实现物联网。下一代信息和能源系统将需要能提供更高功率密度、更高效率和更小占位面积的新型电子质料和器件。集成和封装的变革以及场效应晶体管、自旋电子器件和光子器件等新器件的泛起，需要研发新质料来解决互连中泛起的新限制。
四、量子质料
量子质料包括超导体、磁性质料、二维质料和拓扑质料等，有望实现厘革性的未来应用，涵盖盘算、数据存储、通信、传感和其他新兴技术领域。超导体方面的研究前沿是发明新质料、制备单晶、了解质料的分层结构及功效组件，研究重点包括研发可以预测新质料结构及性能的理论/盘算/实验集成的工具；发明和理解新型超导质料，推动相干性和拓扑�；ぱ芯可�，进一步理解与更广泛量子信息科学相关的物质。磁性质料可能会泛起“磁振子玻色爱因斯坦凝聚”等新集体自旋模式，非铁金属制备的反铁磁体将成为未来自旋动力学领域的重点研究偏向。二维质料的重点研究偏向包括：高质量二维质料及其多层异质结构的可控增长、异质结构和集成装置的界面（粘赞同摩擦）力学、过渡金属二硫化物的低温合成等。在拓扑质料方面，机械超质料可能是新的重要研究偏向，其具有负泊松比、负压缩性和声子带隙等新的机械性能。
五、聚合物、生物质料和其他软物质
聚合物将在情况、能源和自然资源应用、通信和信息、健康等领域发挥重要作用。
在情况领域：
聚合物应用的目标是以有效和可连续的方法使用原料和聚合物产品，研究偏向包括：研究被忽视的原质料（如农业、工业或人类运动爆发的废物，其他含碳或硅的物质）使其形成有用的聚合物质料；将自修复质料市场化以提高其寿命、耐用性和接纳利用；增强疏散技术或其他物理历程的研发以实现混淆塑料接纳。
在能源和自然资源应用领域：
研究偏向包括：提高能量存储系统的宁静性和效率，包括固体电解质、全有机电池和用于液流电池的氧化还原聚合物；开发用于能量转换的聚合物，包括有机光伏和LED、薄膜晶体管、热电质料、导致柔性和可衣着系统；开发用于能量-水联结的聚合物，如膜和抗污染质料；提高能源效率及能运输清洁水的智能建筑质料；实施和整合绿色化学和工程原理、生命周期/可连续性思想，设计开发商品和先进聚合物技术。
在通信和信息领域：
研究偏向包括：在聚合物和有机半导体中，提高器件中电荷传输的电荷载流子迁移率；在光电器件中，设计和开发考虑了结构/性质/工艺之间关系的半导体有机和聚合物质料；数据库的开发和使用。
在健康领域：
研究偏向包括：提升基于聚合物的纳米质料的设计，扩展至免疫工程等新应用；开发能进一步控制微纳结构以及提高设备和植入物的定制、一次成型和现场制造可能性的增材制造技术；生长基于聚合物的组织工程以减少动物模型在药物测试和质料测试中的使用。
在基础聚合物科学领域：
研究偏向包括：在多个标准规模内研究聚合物的合成、结构控制、性质表征、动态响应等；建造和集成能力更强、更易于获取使用权的先进仪器；通过联合立异计划来突破实验至上和理论至上两类研究步队之间的认知障碍；开发可获得、可扩展、同时具有更绿色生命周期的聚合物。
生物质料的进一步生长需要先进的合成要领、新颖的表征工具及先进的盘算能力。未来的研究偏向包括研究软物质的自主行为以及掌握具有与肌肉骨骼组织相当性质和功效的合成质料的制造要领。未来无机生物质料的重要研究偏向包括生物金属的金属质料和陶瓷生物质料、用无机粉末的增材制造技术、生物分子质料性能的提升及糖化学。软生物质料的重要偏向包括超分子组件中的结构控制、水凝胶质料中水的组织和动力学、纳米结构内多个生物信号的精确空间定位要领。
六、结构化质料和超质料
结构化质料具有量身定制的质料特性和响应，使用结构化质料进行轻量化，可以提高能效、有效负载能力和生命周期性能以及生活质量。未来的研究偏向包括开发用于解耦和独立优化特性的稳健要领，创立结构化多质料系统等。
超质料是设计出来的具有特定功效（磁、电、振动、机械等）响应的结构化质料，这些功效一般在自然界不保存。超质料的未来研究偏向包括：制造用于光子器件的纳米级结构，控制电磁相位匹配的非线性设计，设计能爆发负折射率的非电子质料，减少电子跃迁的固有损失。
七、能源质料、催化质料和极端情况质料
能源质料的研究偏向包括：连续研发非晶硅、有机光伏、钙钛矿质料等太阳能转换为电能的质料，开发新的发光质料，研发低功耗电子器件，开发用于电阻切换的新质料以增进神经形态盘算生长。催化质料的研究偏向包括：改良催化质料的理论预测，高催化性能无机核/壳纳米颗粒的合成，高效催化剂适合工业生产及应用的可扩展合成计划，催化反应中助催化剂在活性位场上的选择性沉积，二维质料催化剂的研究。
极端情况质料是指在种种极端操作情况下能切合条件地运行的高性能质料，研究偏向包括：基于科学的设计开发下一代极端情况质料，如利用对证料中与温度相关的纳米级变形机制的理解来革新合金的设计，利用对腐化机理的科学理解来设计新的耐腐化质料；理解极端条件下质料性能极限和基本退化机理。
八、水、可连续性和洁净技术中的质料研究
碳捕集和贮存的质料研究的机缘包括：基于溶剂、吸附剂和膜质料的碳捕集，金属有机框架等新型碳捕集质料，电化学捕集，通过地质质料进行碳封存。洁净水的质料问题涉及膜、吸附剂、催化剂和地下地质结构中的界面质料科学现象，需要开发新质料、新表征要领和新界面化学品� ？稍偕茉粗娣矫娴闹柿涎芯炕冢貉蟹⒍嗉劾胱拥继搴托碌牡绯刂柿弦蕴岣唢胱拥绯啬芰棵芏�，研发高能量密度储氢的新质料以实现水剖析/燃料电池能量系统。
聚合物质料为可连续清洁技术领域提供奇特的机缘和挑战，未来研究偏向包括：利用可连续质料制备新塑料的要领，高度天然富厚的聚合物（如纤维素）的有效加工方法，稀土的高效使用、非稀土替代品的寻找和制备，稀土质料的接纳和再利用，用于先进燃料电池的非铂催化剂。
九、移动、贮存、泵送和治理热能的质料
热治理已成为从电池到高明音速飞机等诸多技术中最重要的方面之一，因为在高需求的设备和应用中，效率的微小提高会对能源的使用爆发重大影响，需要增强能存储、转换、泵送和治理热能质料的开发。研究偏向包括：开发更稳定和耐腐化的质料，或开发具有较大熔化热变革的新型相变质料，以提高太阳能热存储效率；开发新的热电质料，聚焦能量色散关系明显偏离古板谱带的固体质料；通过外力改变热特性或研究相变，开发新的有源热质料。
（来源：中国科学院科技战略咨询研究院）
