美国国家科学院、工程院和医学科学院发布了针对材料研究的第三次十年调查——报告。
本报告主要评估了过去十年材料研究的进展和成就，确定了2020-2030年材料研究的机遇、挑战和新方向，并提出了应对这些挑战的建议。
报告指出，发达国家和发展中国家在智能制造和材料科学领域的竞争将在未来十年加剧。随着数字和信息时代的发展和全球挑战，材料研究将对新兴技术、国家需求和科学产生更重要的影响。《材料研究前沿：十年调查报告》发布了未来10年材料研究的机会，主要包括九个领域：
*以下转载自中国科学院科技战略咨询研究询研究院。
2020-2030年，
①耦合实验和计算模拟研究尚未实现；
②实时分析原位/操作实验表征数据；
③创新加工方法和材料成分，实现下一代高性能轻质合金、超高强度钢和耐火合金，设计制造多功能高级建筑材料体系；
④通过开发可靠的实验和计算热力学数据库，了解多相高熵合金的固溶效应，创建常规合金中不可能出现的微结构；
⑤进一步了解纳米双晶材料的变形机制、分解应力的作用、微结构演变的过程和机制。
①将缺陷作为材料设计的新维度，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，探索冷烧结技术产生的过渡液相致密化的基本机制。
②玻璃将广泛应用于储能和量子通信，作为储能和非线性光学器件的固体电解质。研究的热点材料包括绝缘体结构上的硅III-V具有飞秒激光写入特性的硅晶片、非线性光学材料。
①创新聚合物树脂基材料和高性能纤维增强材料的成分，使其具有更强的定制性和多功能性；
②复合材料复杂行为的分析和预测工具和多尺度建模工具套件的开发可以快速评估和准确预测；
③加强对梯度/形态关系领域多维性能增强和制造的科学研究。钙钛矿材料未来的潜在研究方向是基于甲基铵钙钛矿太阳能电池的稳定性和有毒元素的替代。
研究具有分布式驱动性能的软质和硬质复合材料，这是制备多材料机器人的理想材料。
这需要开发结合存储器和逻辑功能的新材料、能够执行机器学习的低能耗架构、能够执行与传统计算机逻辑和架构完全不同的算法的设备。
金属微机电系统合金沉积技术和成型技术的发展预计将实现物联网。下一代信息和能源系统将需要新的电子材料和设备，提供更高的功率密度、更高的效率和更小的占用面积。集成和包装的变化，以及晶体管、旋转电子设备和光子设备的出现，需要开发新的材料来解决互联网的新限制。
包括超导体、磁性材料、二维材料和拓扑材料，预计将在计算、数据存储、通信、传感等新兴技术领域实现变革性的未来应用。
研究的前沿是发现新材料，制备单晶，了解材料的分层结构和功能组件，研究重点包括理论/计算/实验集成，可以预测新材料的结构和性能；发现和理解新的超导材料，促进相关性和拓扑保护的研究和发展，进一步了解更广泛的量子信息科学相关物质。
可能会出现“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方向。
重点研究方向包括：高质量二维材料及其多层异质结构的可控增长、异质结构与集成装置的界面（附着力和摩擦力学、过渡金属二硫化物的低温合成等。
在机械超材料可能是负泊松比、负压缩性、声带间隙等新的重要研究方向。
在环境、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。
（1），聚合物应用的目标是以有效、可持续的方式使用原料和聚合物产品，研究方向包括：
①研究被忽视的原料(如农业、工业或人类活动产生的废物，以及其他含碳或硅的物质)形成有用的聚合物材料；
②市场化自修材料，提高其使用寿命、耐久性和回收利用；
③加强分离技术或其它物理工艺的研发，实现混合塑料回收。
（2），研究方向包括：
①提高固体电解质、全有机电池和液流电池氧化还原聚合物等能量存储系统的安全性和效率；
②能量转换聚合物的开发，包括有机光伏和LED、导致柔性和可穿戴系统的薄膜晶体管、热电材料；
③开发能量-水连接的聚合物，如膜和抗污染材料；
④智能建筑材料可以提高能源效率，运输清洁水；
⑤设计和开发商品和先进聚合物技术，实施和整合绿色化学和工程原理、生命周期/可持续性思想。
（3），研究方向包括：
①在聚合物和有机半导体中，和有机半导体中提高；
②在光电器件中，半导体有机和聚合物材料考虑了结构/性质/工艺之间的关系；
③开发和使用数据库。
（4），研究方向包括：
①基于聚合物的纳米材料设计，扩展到免疫工程等新应用；
②增材制造技术可以进一步控制微纳结构，提高设备和植入物的定制、一次成型和现场制造的可能性；
③开发基于聚合物的组织工程，减少动物模型在药物试验和材料试验中的应用。
（5），研究方向包括：
①研究聚合物合成、结构控制、性质表征、动态响应等。
②先进仪器具有较强的建造和集成能力，更容易获得使用权；
③通过联合创新计划知障碍是通过联合创新计划打破的；
④具有更绿色生命周期的聚合物，可获得、可扩展和开发。
进一步发展需要先进的合成方法、新颖的表征工具和先进的计算能力。未来的研究方向包括研究软物质的独立行为和制造具有相当于肌肉骨骼组织性质和功能的合成材料。
其重要研究方向包括生物金属金属材料和陶瓷生物材料、无机粉末添加剂制造技术、生物分子材料性能的提高和糖化学。
超分子组件中的结构控制、水凝胶材料中的水组织和动力学、纳米结构中多个生物信号的精确空间定位等重要方向。
采用结构化材料进行轻量化，具有定制的材料特性和响应性，可以提高能效、有效负载能力、生命周期性能和生活质量。未来的研究方向包括开发解耦和独立优化特性的稳定方法，创建结构化的多材料系统。
它是一种具有特定功能（磁、电、振动、机械等）响应的结构化材料，通常不存在于自然界中。超材料的未来研究方向包括：制造光子器件的纳米级结构，控制电磁相位匹配的非线性设计，设计能产生负折射率的非电子材料，减少电子跃迁的固有损失。
的研究方向包括：持续研发非晶硅、有机光伏、钙钛矿材料等太阳能转换为电能的材料，开发新的发光材料，研发低功耗电子器件，开发用于电阻切换的新材料以促进神经形态计算发展。
的研究方向包括：改良催化材料的理论预测，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方案，催化反应中助催化剂在活性位场上的选择性沉积，二维材料催化剂的研究。
是指在各种极端操作环境下能符合条件地运行的高性能材料，研究方向包括：
①基于科学的设计开发下一代极端环境材料，如利用对材料中与温度相关的纳米级变形机制的理解来改进合金的设计，利用对腐蚀机理的科学理解来设计新的耐腐蚀材料；
②理解极端条件下材料性能极限和基本退化机理。
研究的机遇包括：基于溶剂、吸附剂和膜材料的碳捕集，金属有机框架等新型碳捕集材料，电化学捕集，通过地质材料进行碳封存。
问题涉及膜、吸附剂、催化剂和地下地质构造中的界面材料科学现象，需要开发新材料、新表征方法和新界面化学品。
研究基于：研发多价离子导体和新的电池材料以提高锂离子电池能量密度，研发高能量密度储氢的新材料以实现水分解/燃料电池能量系统。
为可持续清洁技术领域提供独特的机遇和挑战，未来研究方向包括：利用可持续材料制备新塑料的方法，高度天然丰富的聚合物（如纤维素）的有效加工方式，稀土的高效使用、非稀土替代品的寻找和制备，稀土材料的回收和再利用，用于先进燃料电池的非铂催化剂。
已成为从电池到高超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产生重大影响，需要加强能存储、转换、泵送和管理热能材料的开发。研究方向包括：
①开发更稳定和耐腐蚀的材料，或开发具有较大熔化热变化的新型相变材料，以提高太阳能热存储效率；
②开发新的热电材料，聚焦能量色散关系明显偏离传统谱带的固体材料；
③通过外力改变热特性或研究相变，开发新的有源热材料。
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