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美國國家科學院發布《材料研究前沿:十年調查》
發布:blast_k   時間:2019/6/19 13:43:33   閱讀:471 
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美國國家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。這次的調查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。

《材料研究前沿:十年調查》報告指出,發達國家和發展中國家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全球挑戰,材料研究對美國的新興技術、國家需求和科學的影響將更加重要。報告認為材料研究的機遇包括9個方面:

1、金屬

2020-2030年,金屬和合金領域的基礎研究將繼續推動新科技革命和對材料行為的更深入理解,從而產生新的材料設備和系統。未來十年有前景的研究領域包括:迄今尚無法實現的在相同長度和時間尺度上進行耦合實驗和計算模擬研究;原位/操作實驗表征數據的實時分析;加工方法和材料組分創新,以實現下一代高性能輕質合金、超高強度鋼和耐火合金,以及多功能高級建筑材料系統的設計和制造;理解多相高熵合金的固溶效應,并通過開發可靠的實驗和計算熱力學數據庫創建在常規合金中不可能出現的微結構;通過實驗和建模進一步理解納米孿晶材料中的變形機制、分解應力的作用、微觀結構演變的過程和機制。

2、陶瓷、玻璃、復合材料和混合材料

陶瓷和玻璃研究領域的新機遇包括:將缺陷作為材料設計的新維度,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。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:在聚合物樹脂基材料和高性能纖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;開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;加強多維性能增強及梯度/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。

3、半導體及其它電子材料

半導體及其它電子材料未來的工作重點將轉向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布局的芯片,這需要研發新材料,以用于結合存儲器和邏輯功能的新設備、能執行機器學習的低能耗架構的設備、能執行與傳統計算機邏輯和架構截然不同的算法的設備。器件小型化和超越小型化方面的研究重點是提升極紫外(EUV)光刻的制造能力和薄膜壓電材料性能。金屬微機電系統合金的沉積技術和成形技術的發展有望實現物聯網。下一代信息和能源系統將需要能提供更高功率密度、更高效率和更小占位面積的新型電子材料和器件。集成和封裝的變化以及場效應晶體管、自旋電子器件和光子器件等新器件的出現,需要研發新材料來解決互連中出現的新限制。

4、量子材料

量子材料包括超導體、磁性材料、二維材料和拓撲材料等,有望實現變革性的未來應用,涵蓋計算、數據存儲、通信、傳感和其他新興技術領域。超導體方面的研究前沿是發現新材料、制備單晶、了解材料的分層結構及功能組件,研究重點包括研發可以預測新材料結構及性能的理論/計算/實驗集成的工具;發現和理解新型超導材料,推動相干性和拓撲保護研究發展,進一步理解與更廣泛量子信息科學相關的物質。磁性材料可能會出現“磁振子玻色愛因斯坦凝聚”等新集體自旋模式,非鐵金屬制備的反鐵磁體將成為未來自旋動力學領域的重點研究方向。二維材料的重點研究方向包括:高質量二維材料及其多層異質結構的可控增長、異質結構和集成裝置的界面(粘附和摩擦)力學、過渡金屬二硫化物的低溫合成等。在拓撲材料方面,機械超材料可能是新的重要研究方向,其具有負泊松比、負壓縮性和聲子帶隙等新的機械性能。

5、聚合物、生物材料和其他軟物質

(1)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: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;將自修復材料市場化以提高其壽命、耐用性和回收利用;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。

(3)在通信和信息領域,研究方向包括:在聚合物和有機半導體中,提高器件中電荷傳輸的電荷載流子遷移率;在光電器件中,設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;數據庫的開發和使用。

(5)在基礎聚合物科學領域,研究方向包括:在多個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;建造和集成能力更強、更易于獲取使用權的先進儀器;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;開發可獲得、可擴展、同時具有更綠色生命周期的聚合物。


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