《材料研究前沿：十年調查》概要

現代材料科學以物理學、化學、生物學、數學、計算機和數據科學以及工程科學知識為基礎，讓我們能夠理解、把控和拓展材料世界。雖然材料研究以探究式基礎科學為基礎，但仍然致力于發現和生產可靠且經濟可行的材料，從超合金到聚合物基復合材料，這些材料已被大量應用于當今社會和經濟所必需的產品中。

這份報告是由美國國家科學基金會(National Science Foundation,NSF)和能源部(Department of Energy,DOE)立項并資助，深入達成一致共識的研究結果，旨在從全世界相似的研究中，記錄美國材料領域的現狀和未來潛在的研究方向。本報告是有關材料研究的第3次十年調查。第一份報告(《1990年代的材料科學與工程：保持材料時代的競爭力》，國家學術出版社，華盛頓)發表于1990年，第二份報告(《凝聚態物質和材料物理學：我們周圍世界的科學》，國家學術出版社，華盛頓)發表于2010年。2019年的第3次報告回顧了過去10年材料研究的進展和成就，以及材料研究領域的變化；預測了2020～2030年間的投資機會以及材料研究對新興技術、國家需求和科學的影響，并預測了企業在未來10年可能面臨的挑戰。

在過去的10年里，材料研究取得了許多突破傳統思維模式的進展，材料發掘的速度也在加快。支撐材料研究的方法(包括材料表征、合成和加工以及計算機模擬的能力)已經取得了相當大的進步，使得以前無法實現的領域得以實現。科學與工程是令人興奮的，創造和控制新材料的前景很樂觀，通往重要應用的道路也十分鼓舞人心。然而，這種積極的看法仍受到以下因素制約：可以預見的許多進步所需的資源得不到保證；國際競爭正在威脅美國在材料研究方面的領導地位。

某些領域的材料研究尤為重要，如計算材料科學與工程領域。將計算方法(包括數據科學，機器學習和信息學)與材料表征、合成與加工方法相結合，加速了新材料的發現及其在產品中的應用。這種勢頭將延伸到數字化制造領域，在增材制造和其他工藝中，材料合成可以直接與制造相結合。在未來的10年里，量子信息科學材料(quantum information science，QIS)也將成為另一個優先的方向。量子信息科學不僅包括量子計算，還包括存儲、量子傳感和通信技術，且已應用到了超導體、半導體、磁體以及二維(2D)材料和拓撲材料(topological materials)的研究中。

從整個材料的大范圍來看，材料科學與技術對地球環境質量和可持續發展有巨大影響，例如可以通過設計新型材料來催化一系列重要的化學反應。研究人員已經開展了很多關于表面條件對有效催化作用的研究，例如采用等離子體輔助熱電子催化。未來的研究有望改善材料的可持續制造，例如，原材料的選擇、節能的制造方法和可回收性。需要大學、國家實驗室和工業之間展開密切的合作，這一需求也在本報告中多次出現。

報告建議，要持續對各級研究基礎設施進行投資，包括從大學實驗室儀器到國家實驗室的大型設備，這些設備對美國材料科學企業的健康發展至關重要。基礎設施是美國材料研究的寶貴財富，為了材料領域的產出和健康發展，它必須保持世界領先水平。

1.過去10年進展

近10年來，材料研究的方方面面都取得了很大進展，幾乎涵蓋了所有的材料類型。例如，石墨烯在上次的10年學科調查中僅僅受到些許的關注，這次卻引起了其他二維材料的興起。更重要的是，石墨烯的發現激發了人們對新物理現象的研究，其在太陽能電池、晶體管、相機傳感器、數字屏幕和半導體等許多電子領域具有潛在的應用價值。過去10年中另一個意想不到的是增材制造(additive manufacturing，AM)的發展，雖然這一領域只有幾十年的歷史，但現在既可以批量生產，也可以根據需要進行一次性生產。其他一些主要材料的發展包括經濟實惠的發光二極管(light-emitting diode，LED)照明、平板顯示器以及電池的改進等。

材料科學一些重要的進展是純粹的發現驅動科學的產物(例如拓撲絕緣體)，其他則是通過協同技術產生的(例如康寧大猩猩玻璃)，還有一些是兩者的組合(例如增材制造和新型高性能塑料，vitrimers)。材料基因組計劃(Materials Genome Initiative，MGI)和國家納米技術計劃(National Nanotechnology Initiative，NNI)這兩項主要的政府舉措，在促進美國材料研究方面發揮著重要作用。

在過去的10年里，金屬、塊體金屬玻璃、高性能合金，陶瓷和玻璃等領域取得了令人振奮的進展。由于復合材料和雜化材料能夠承受惡劣環境以及其對器件的保護性，使得它們具有很高的應用價值。涂層技術的進步提高了可靠性，廣泛應用于熱保護和環境保護系統。在越來越多的應用中，層狀材料體系正在取代先進單片材料，每一層的獨特性能和功能都能夠顯著提高材料的性能和壽命。聚合物、各種生物材料以及軟物質(如膠體和液晶)方面也取得了巨大的進展。

超導研究一直是一個多產的領域。對量子材料領域的研究也更加普遍而且發展迅速，主要包括量子自旋(quantum-spin)液體、強相關(strongly correlated)薄膜和異質結構(heterostructures)、新型磁體、石墨烯和其他超薄材料以及拓撲材料等。

2.未來研究機會

在上述最新進展的基礎上，該報告還發現了許多預計將在未來10年出現的材料研究機會。這些機會將涵蓋幾乎所有材料類別，承載了許多有價值的應用。

未來對金屬和合金的基礎理論理解將通過日益耦合的實驗和計算建模來推進，并隨著條件和行為的變化對材料進行原位表征。新機遇還將來自設計、組合、加工和制備方法等方面的創新，以及先進設施等。高熵合金(由近等摩爾比的五種或更多元素組成的合金)在未來10年會有相當大的前景。這種合金材料有望克服傳統合金所面臨困境和障礙，例如強度和延展性無法同時提升的問題。其次是納米金屬合金，這個非傳統金屬領域預計也會取得進展，合金的形態和復雜結構可以在納米尺度控制(例如，納米孿晶金屬)。

信息和計算技術行業將繼續推動半導體和其他電子材料的研究，朝著日益復雜的單片集成器件、功能更強大的微處理器以及充分利用三維(3D)布局的芯片發展。這些材料應用于新器件，以及其他具有節能架構的設備，這些新器件結合了內存和邏輯功能，能夠執行機器學習和其他算法，而這些算法與傳統的計算機邏輯和結構有很大的不同。該研究將在多級功率和電壓范圍內實現更高效的電力管理，也成為了一個各界關注的焦點。

二維材料(包括石墨烯)為探索表面電子態的性質提供了機會。通過對這些材料進行分層，通過疊加這種材料，層之間的弱相互作用及缺陷設計帶來了廣闊的探索空間，為在電子和光學領域的應用提供潛在機會。拓撲材料的性質由其激發光譜的拓撲性質決定，同樣具有很大的應用潛力。

在陶瓷領域，將主要圍繞節能化的生產工藝，使致密和超高溫陶瓷的生產成為可能。此外，表征和加工能力的提高為玻璃的研究開辟了新的機遇，可能會使得其作為固體電解質用于能量儲存和非線性光學器件。

復合材料將越來越適用于更先進的應用，遠遠超出傳統材料的結構作用。未來有望引入生物材料，開發出能夠以期望的和可預測的方式調控性能的材料。在雜化材料領域，鈣鈦礦將繼續引起人們的極大興趣，主要是因為其對單結太陽能電池具有潛在的優勢。雜化納米復合材料由于其組成粒子具有良好的光學性能和高載流子遷移率，在光電子學和光電轉換技術中具有較好應用前景。

人工材料和超材料之所以受到關注，主要是因為它們微米或納米級別的結構設計極大增強了所制器件的功能。通過復合成分分布設計達到材料輕量化，為航空航天、運輸和能源生產等領域的一系列技術提供了機遇。多功能材料，例如既提供結構又提供熱管理、增強通信或傳感能力的材料，是此類材料中的重要部分。超材料是另一個重要的類別，其結構提供特定的功能響應，并且為許多技術應用提供了機遇，如節能光源、傳感應用、熱工程和微波技術等。

主要發現：對金屬、合金和陶瓷繼續進行原子尺度的研究，探究材料合成——微結構——性能關系。有了這種理解和最先進的合成、表征和計算工具，新型合金和具有特殊性能的微/納米結構正在被實現。傳統材料研究領域也有驚人的新進展，例如在多組分、高熵合金和無機玻璃方面。

主要建議：美國聯邦機構(NSF、DOE、DOD)應維持穩健的項目，以支持在某些情況下會擴大并長期存在的領域的基礎研究，如金屬、合金和陶瓷等。

主要發現：量子材料科學與工程，包括超導體、半導體、磁體和二維及拓撲材料，代表了一個充滿活力的基礎研究領域。對材料科學的新理解有助于未來在計算、數據存儲、通信、傳感和其他新興技術領域實現變革性的應用。這包括超越摩爾定律的新計算方向，例如量子計算和神經形態計算，對傳統處理器的低能耗替代品至關重要。美國國家科學基金會(NSF)的兩個“十大創意”專門確定了對量子材料的支持(參見《量子躍進：引領下一次量子革命和中尺度研究基礎設施》)。

主要建議：美國國家科學基金會(NSF)、能源部(DOE)、美國國家標準技術研究院(NIST)、國防部(DOD)和情報先進研究計劃局(IARPA)的重大投資和合作將加速量子材料科學與工程的進步，這對美國未來經濟和國土安全至關重要。在美國能源部科學辦公室和國家核安全局實驗室以及國防部研究實驗室(陸軍研究實驗室ARL，海軍研究實驗室NRL，空軍研究實驗室AFRL)的領導下，與先進計算有利益關系的機構應在接下來的10年中支持研究新計算范例的基礎材料科學。為了保持國際競爭力，美國材料研究界將繼續在這些領域發展壯大。

3.最終應用方面的需求

廣泛的材料研究領域與工業部門的需求和利益之間存在著根本性的聯系。僅以國家安全為例，材料研究已經開發出能夠提供更輕裝甲的新材料，為戰場上的作戰人員提供多動力電池，以及能更好地承受極端條件的材料，例如用于高超聲速飛行的超高溫材料，其所在推進系統的工作溫度超過2000 ℃。

在與能源相關的行業中，對能夠在各種極端操作環境下保持高性能的材料的需求不斷增長。例如用于航空航天和地面運輸的輕質、高強、高韌性材料，以及用于抵抗高輻射劑量的高級裂變或聚變能量系統的結構材料和燃料系統。一般來說，能源方面的挑戰涉及生產、分配、轉換和利用。諸如光伏電池和先進電池等材料的改進從根本上對能源做出了貢獻。能源利用率也可以通過開發更好的催化劑等材料來提高。

另一個廣泛的需求是移動、儲存、泵送和管理熱量所需的材料。人類用于發電、加熱和冷卻以及運輸的能源，90%以上來自熱過程。因此，即便是控制和轉換熱能能力的小幅提高，也會對世界的能源使用產生重大影響。

材料研究界普遍希望大學、私營企業和國家實驗室之間能夠加強互動，特別是加強材料科學和技術創新領域之間的合作和信息交流。應加強基礎科學的理論與技術的相互聯系，以理論指導技術的進步，以技術促進新理論的突破，將會產生極大的經濟效益。全球都需要將基礎理論發現轉化為實用技術。新的激勵機制旨在鼓勵教師、學生、科學家和工程師進行親密的團隊合作。

主要發現：材料研究中的許多現實挑戰和機遇發生在傳統學科之間的交叉點上，以及基礎研究和應用研究之間的交界處。不同學科之間以及學術界、工業界和政府實驗室之間的協作和信息傳遞將極大地增加成功應對挑戰并利用機遇的可能性。

主要建議：由美國科技政策辦公室(Office of Science and Technology Policy，OSTP)牽頭的政府機構應高度重視，通過對跨學科研究的支持，以及建立大學、私營企業(包括初創企業)和國家實驗室之間更自由流動互動的模式，促進材料研究者之間的溝通。

主要建議：美國科技政策辦公室(OSTP)應在資助政策制定方面發揮領導作用，使各種資助機構能夠在需要時協同工作，促進大學和行業研究人員之間的合作。

主要建議：美國國家科學基金會(NSF)應建立材料研究轉化中心(Discovery to Translation Materials Research Center，DTMRC)，使學生、教師、科學家和工程師能夠并肩工作。這項工作也應得到相關NSF部門的支持，并至少持續10年。

DTMRC的理念是補充NSF現有促進基礎研究的“材料科學與工程研究中心”，以及促進技術發展的“工程研究中心”，并使兩者實現功能性協同。基礎材料的研究一直十分重要，將基礎材料研究與技術更緊密地聯系起來并不意味著減少投入高風險項目。

主要發現：材料科學和技術對地球環境質量和可持續發展有著巨大的影響，這是大學、國家實驗室和工業合作的一個重要機會。

主要建議：迫切需要從多個方向開展研究，以改善材料的可持續制造，包括原料選擇、能源效率、可回收性等。科學基金會、能源部和其他機構應提出創新的方案，為這方面的研究提供資金。

4.對基礎設施的需求

過去10年，材料研究的許多進展得益于對基礎設施建設的持續投資和研究工具的改進。面向更多新機會，該報告確定了許多必要的結構性步驟，以促進美國材料研究的最大效益。

在過去的10年中，材料研究人員在表征、合成和加工以及計算能力方面取得了重大進展，從而使以前無法實現的材料研究成為可能。特別是通過諸如透射電子顯微鏡、原子探針層析成像(atom probe tomography，APT)、掃描探針顯微鏡、超快探針以及3D和4D表征能力(其中3D是我們常見的具有長度、寬度和深度的三維空間，4D增加了時間維度)等工具，使得表征技術得到了提高。精準合成有望以革命性的方式改變材料科學。許多方法和工具也正在實現精確合成的新功能。現有技術允許研究人員以高保真度和精確度控制原子、分子和缺陷的位置和排列，而缺陷不容忽視，它們通常控制著材料特性。

在計算能力方面，研究人員在多尺度上對材料建模進行改進，能夠以高保真度計算材料特性。這些計算結果被用于預測多種材料結構與性質的關系、發現新結構，并能夠加強對實驗數據的解釋。除了基于物理模型，由數據驅動的機器學習還被用于探索材料的組成、識別新結構、發現量子相位以及識別相位和相變。

另一個主要的進步是對材料性能的計算設計、納米到微米控制的制造工藝以及具有同樣精準分辨率的實驗表征方法的融合。這些功能的集成使得通過結構控制來開發高性能新型體相材料成為可能。與拱門、柱、梁和扶壁革命性地改變了建筑、塔和橋梁的建造方式一樣，材料界正在開發“材料建筑”，將材料設計空間擴展到多個維度，獨立處理當前材料的特性，開發出比現有固態物質具有更優越性能的材料。在美國，一些主要材料設施產出的大量數據引起了人們將這些數據與建模相結合的濃厚興趣。一些機構已經開發出先進的計算工具，這在功能材料的預測建模以及跨越多個長度尺度連貫地理解材料方面起到重要作用。

材料研究的核心是評估和表征、加工和合成材料以及建立模型和模擬其性能。為研究人員提供儀器和設施網絡(從個人研究人員到中型儀器設施和科學研究中心，再到國家級設施)，是支撐整個材料研究事業的基礎。

過去10年，材料研究幾乎所有領域都對基礎研究設施有巨大需求，購買和維護最先進基礎研究設備的成本不斷上升，加上缺乏足夠的儀器設備融資渠道，使得美國的材料科學與工程研究面臨著嚴峻挑戰。

多數情況下，為大學研究提供資金的聯邦機構、私人基金會和企業都沒有為所需的儀器提供足夠的資金。美國國家科學基金會(NSF)通過主要研究儀器(Major Research Instrumentation，MRI)計劃贊助科研儀器。但該計劃規模不足以滿足當前需求。美國國防部(DOD)的國防大學研究儀器項目(Defense University Research Instrumentation Program，DURIP)原則上可以提供幫助，但其資助水平也較低。能源部(DOE)運營著許多尖端的散射設施。正如美國國家標準與技術研究所(National Institute of Standards and Technology，NIST)中子研究中心和美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的部分國際空間站(International Space Station，ISS)支持關鍵材料研究一樣，這些散射設施也支持一些領域的材料研究。然而，這些國家設施不能滿足大學基礎研究設施的最前沿需求。因此，在校園內配備儀器至關重要。例如，涉及新材料合成的研究項目通常需要在合成、結構和性能測試之間進行持續且即時的反饋與循環測試，依靠遠程設施進行這種研究是不可行的，但大多數材料研究都是如此。

因此，支持研究儀器的資金負擔主要轉移到了大學。大學支持研究新的儀器以吸引年輕的實驗員，但這種模式下儀器仍然缺乏資金來維持和升級，還會導致雇用年輕人的下行壓力。

主要發現：從大學和國家實驗室到大型研究中心，采購成本為400萬美元到1億美元的各級基礎設施，如同步加速器光源、自由電子激光器、中子散射源、高場磁體和超導體等用于材料表征、合成和加工的中等規模儀器，對美國材料科學界的健康發展至關重要。尤其是中規模基礎設施近年來被嚴重忽視，使得維護成本和聘用專業技術人員的成本大幅增加。

主要建議：所有對材料研究感興趣的美國政府機構都應實施國家戰略，以確保大學研究小組和國家實驗室能夠在當地開發并持續使用材料研究所需的先進中型儀器以及實驗室基礎設施。該基礎設施包括材料生長和合成設施、氦液化器和回收系統、無制冷劑冷卻系統和先進的測量儀器。這些機構還應繼續支持大型設施，如橡樹嶺國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室、阿貢國家實驗室、SLAC國家加速器實驗室、國家同步輻射光源II(布魯克海文國家實驗室)、國家標準技術研究所的設施，并且對現有設施升級及更換的長期規劃進行參與并投資。

主要發現：三維(3D)表征、計算材料科學以及先進制造和加工技術的進步使材料研究領域的數字化程度不斷提高，在某些情況下，大大縮短了新產品從發現到使用的時間。

主要建議：聯邦機構(包括NSF和DOE)應在2020年前擴大對自動化材料制造的投資，其任務應與增材制造和其他數控制造模式的發展保持一致。增加的投資應支持跨越自動化材料合成和制造的多個學科。從最基礎的研究到產品實現，包括通過計算技術的進步實現的實驗和模擬能力，達到2030年美國在該領域處于領先地位的目標。

主要發現：材料基因組計劃和早期的集成計算材料工程方法，讓我們認識到了集成和協調計算方法、信息學、材料表征以及合成和加工方法的潛力，以加速產品中所設計材料的發現和部署。將這些方法轉化到特定的行業已經產生了許多成功的應用，這些應用也通過相應的成本節約縮短了開發時間。

主要建議：美國政府在國家科學基金會(NSF)、國防部(DOD)和能源部(DOE)的配合下，應支持開發探索新的計算方法和先進的數據分析方法，發明新的實驗工具來探測材料的特性，設計新的合成和加工方法。當前政府機構的投資力度應當加大，并在未來10年繼續努力，以保持美國的競爭力。

5.美國材料研究的國家競爭力

材料研究對一個國家的經濟福祉和安全的重要性不言而喻，世界各國都在尋求國家項目來支持材料研究，并促進材料研究向市場的過渡。作為研究進展的一部分，該報告就材料研究對世界經濟的貢獻、材料項目以及若干國家的投資情況進行了調查。許多國家的項目比美國的項目更注重經濟發展，更直接地與經濟發展掛鉤。與美國和歐洲國家相比，亞洲國家，尤其是中國和韓國，目前在材料研究方面的投資占其國內生產總值(GDP)的比例更大。

主要發現：發達國家和發展中國家之間在現代經濟驅動力(包括智能制造和材料科學)領域的激烈競爭將在未來10年持續增長。

主要建議：在支持材料研究的機構的投入下，美國政府應從2020年開始采取協調措施，全面評估全球競爭加劇對美國在材料科學、先進智能制造領域領導地位的威脅。評估計劃應建立在永久性基礎上，并應在2022年前確定一項應對這種威脅的戰略。

材料研究是經濟增長、國家競爭力、財富與貿易、健康與福利以及國防的重要基礎。世界上許多較大國家和經濟體已經認識到這種關系。最近的趨勢表明，許多國家已制定并明確了國家投資戰略，以確保在材料研究方面取得有力進展、增強在全球經濟中的國家競爭力。到目前為止，材料研究對新興技術、國家需求和科學的影響非常重要，隨著美國在數字和信息時代的發展，面臨著全球當前和未來的挑戰，預計這種影響將會更大。

(原報告Suggested citation:National Academies of Sciences,Engineering,and Medicine.2019.Frontiers of Materials Research:A Decadal Survey.Washington,DC:The National Academies Press.doi:https://doi.org/10.17226/25244.)