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美国国家科学院发布《材料研究前沿:十年调查》
发布:blast_k   时间:2019/6/19 13:43:33   阅读:525 

 
美国国家科学院发布了针对材料研究的第三次十年调查《材料研究前沿:十年调查》报告。这次的调查主要评估了过去十年中材料研究领域的进展和成就,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。

《材料研究前沿:十年调查》报告指出,发达国家和发展中国家在智能制造和材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发展以及面临的全球挑战,材料研究对美国的新兴技术、国家需求和科学的影响将更加重要。报告认为材料研究的机遇包括9个方面:

1、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材料行为的更深入理解,从而产生新的材料设备和系统。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尺度上进行耦合实验和计算模拟研究;原位/操作实验表征数据的实时分析;加工方法和材料组分创新,以实现下一代高性能轻质合金、超高强度钢和耐火合金,以及多功能高级建筑材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计算热力学数据库创建在常规合金中不可能出现的微结构;通过实验和建模进一步理解纳米孪晶材料中的变形机制、分解应力的作用、微观结构演变的过程和机制。

2、陶瓷、玻璃、复合材料和混合材料

陶瓷和玻璃研究领域的新机遇包括: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。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,研究的热点材料包括绝缘体结构上硅、III-V材料、具有飞秒激光写入特征的硅晶片、非线性光学材料。

复合材料和混合材料研究领域的新机遇包括:在聚合物树脂基材料和高性能纤维增强材料的成分组成上进行创新,使其具有更强的定制性和多功能性;开发可以快速评估和准确预测复合材料的复杂行为的分析和预测工具、多尺度建模工具套件;加强多维性能增强及梯度/形态关系领域的制造科学研究。钙钛矿材料未来的潜在研究方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/纳米颗粒混合材料和纳米复合材料未来的研究重点是研究外部场(电、磁)对活性纳米粒子组装过程的影响。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。

3、半导体及其它电子材料

半导体及其它电子材料未来的工作重点将转向日益复杂的单片集成器件、功能更强大的微处理器以及充分利用三维布局的芯片,这需要研发新材料,以用于结合存储器和逻辑功能的新设备、能执行机器学习的低能耗架构的设备、能执行与传统计算机逻辑和架构截然不同的算法的设备。器件小型化和超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材料性能。金属微机电系统合金的沉积技术和成形技术的发展有望实现物联网。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材料和器件。集成和封装的变化以及场效应晶体管、自旋电子器件和光子器件等新器件的出现,需要研发新材料来解决互连中出现的新限制。

4、量子材料

量子材料包括超导体、磁性材料、二维材料和拓扑材料等,有望实现变革性的未来应用,涵盖计算、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现新材料、制备单晶、了解材料的分层结构及功能组件,研究重点包括研发可以预测新材料结构及性能的理论/计算/实验集成的工具;发现和理解新型超导材料,推动相干性和拓扑保护研究发展,进一步理解与更广泛量子信息科学相关的物质。磁性材料可能会出现“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。二维材料的重点研究方向包括:高质量二维材料及其多层异质结构的可控增长、异质结构和集成装置的界面(粘附和摩擦)力学、过渡金属二硫化物的低温合成等。在拓扑材料方面,机械超材料可能是新的重要研究方向,其具有负泊松比、负压缩性和声子带隙等新的机械性能。

5、聚合物、生物材料和其他软物质

(1)在环境领域,聚合物应用的目标是以有效和可持续的方式使用原料和聚合物产品,研究方向包括:研究被忽视的原材料(如农业、工业或人类活动产生的废物,其他含碳或硅的物质)使其形成有用的聚合物材料;将自修复材料市场化以提高其寿命、耐用性和回收利用;加强分离技术或其他物理过程的研发以实现混合塑料回收。

(3)在通信和信息领域,研究方向包括: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材料;数据库的开发和使用。

(5)在基础聚合物科学领域,研究方向包括:在多个尺度范围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;通过联合创新计划来打破实验至上和理论至上两类研究队伍之间的认知障碍;开发可获得、可扩展、同时具有更绿色生命周期的聚合物。


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