美國科學院發布復合材料研究前沿 未來10年發展機遇挑戰及方向

日期：2021-12-18 來源：中科院戰略院 瀏覽：4041

美國科學院、工程院和醫學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。該報告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，并提出了應對這些挑戰的建議。
　　
報告指出，發達和發展中在智能制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挑戰，材料研究對美國的新興技術、需求和科學的影響將更加重要?！恫牧涎芯壳把兀菏暾{查》報告發布了未來10年材料研究的機遇。
　　
陶瓷、玻璃、復合材料和混合材料
向
　　陶瓷和玻璃研究領域的新機遇包括：
　?、賹⑷毕葑鳛椴牧显O計的新維度，理解晶界相演化與晶相演變，確定制造陶瓷的節能工藝，生產更致密和超高溫的陶瓷，探索冷燒結技術產生的過渡液相致密化的基本機制。
　　②玻璃將作為儲能和非線性光學器件的固體電解質，廣泛應用于儲能和量子通信，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征的硅晶片、非線性光學材料。
　　復合材料和混合材料研究領域的新機遇包括：
　?、僭诰酆衔飿渲牧虾透咝阅芾w維增強材料的成分組成上進行創新，使其具有更強的定制性和多功能性；
　?、陂_發可以快速評估和準確預測復合材料的復雜行為的分析和預測工具、多尺度建模工具套件；
　?、奂訌姸嗑S性能增強及梯度/形態關系領域的制造科學研究。鈣鈦礦材料未來的潛在研究方向是基于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復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。研究具有分布式驅動性能的軟質和硬質復合材料，這是制備多材料機器人的理想材料。
　　
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：
　　①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；
　?、趯⒆孕迯筒牧鲜袌龌蕴岣咂鋲勖?、耐用性和回收利用；
　　③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。
　　（2）在能源和自然資源應用領域，研究方向包括：
　　①提高能量存儲系統的安全性和效率，包括固體電解質、全有機電池和用于液流電池的氧化還原聚合物；
　?、陂_發用于能量轉換的聚合物，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；
　?、坶_發用于能量-水聯結的聚合物，如膜和抗污染材料；
　?、芴岣吣茉葱始澳苓\輸清潔水的智能建筑材料；
　?、輰嵤┖驼暇G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：
　?、僭诰酆衔锖陀袡C半導體中，提高器件中電荷傳輸的電荷載流子遷移率；
　?、谠诠怆娖骷校O計和開發考慮了結構/性質/工藝之間關系的半導體有機和聚合物材料；
　?、蹟祿斓拈_發和使用。
　?。?）在健康領域，研究方向包括：
　?、偬嵘诰酆衔锏募{米材料的設計，擴展至免疫工程等新應用；
　?、陂_發能進一步控制微納結構以及提高設備和植入物的定制、一次成型和現場制造可能性的增材制造技術；
　?、郯l展基于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：
　?、僭诙鄠€尺度范圍內研究聚合物的合成、結構控制、性質表征、動態響應等；
　　②建造和集成能力更強、更易于獲取使用權的先進儀器；
　　③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；
　?、荛_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、新穎的表征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制造方法。
　　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、用無機粉末的增材制造技術、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。