材料科学研究前沿：回顾与展望

文 | 贺飞（北京大学）

    本文2019年3月3日首发于里瑟奇智库公众号，参见：https://mp.weixin.qq.com/s/UWnU-SYweZ0p_2lRAQo2IQ 

现代材料科学以物理学、化学、生物学、数学、计算机和数据科学以及工程科学的知识为基础，使我们能够理解、控制和扩展材料世界。尽管材料科学植根于基于探究的基础科学，但它致力于发现和生产可靠且经济可行的材料，从超级合金到聚合物复合材料，这些材料被用于当今社会和经济所必需的大量产品中。 近日，美国科学院、工程院和医学科学院发布了全球材料科学研究报告《材料研究前沿：十年调查（2019）》（Frontiers of Materials Research: A Decadal Survey (2019)(下文简称《报告》，英文版全文参见：http://nap.edu/25244)

这份报告是应美国国家科学基金会（NSF）和能源部（DOE）要求撰写的，来自美国和全球材料科学的专家组，在深入和广泛的共识研究基础上，阐明美国和全球材料研究的现状和未来发展方向。报告这是材料研究的第三次十年调查。第一份报告题为《1990年代的材料科学和工程：保持材料时代的竞争力》（1990年），第二份报告题为《凝聚态物质和材料物理学：我们周围世界的科学》（2010年）。

本报告回顾了材料研究的进展和成就，以及过去十年材料研究格局的变化，从材料类型、形式/结构、性质和现象以及材料科学全方位研究方法（包括实验、理论、计算、建模和仿真、仪器/技术开发、合成、表征等）等方面，全方位评估了最近十年美国和全球材料科学的发展现状。报告全面评估了过去十年材料研究的进展和成就，厘清了近十年来美国和全球材料研究的内部和外部环境的主要变化及其影响，面临的主要挑战和应对主措，提出了相关政策建议，包括未来十年的投资机会和新的研究领域，以及相关资助政策和产业政策。

报告认为，在过去的十年中，材料研究取得了许多明显改变范式的进展，发现的速度也在加快。此外，支持这项研究的工具——包括材料表征、合成和加工以及计算建模的能力——已经取得了相当大的进步，使得以前无法实现的见解得以实现。科学和工程是令人兴奋的，创造和控制新材料的前景是很好的，重要应用的途径是非常令人鼓舞的。报告指出，最近十年来，全球材料研究的在几乎所有领域上都取得了重大突破，而美国大学、国家实验室和工业界主要是在材料生长、测量和计算方面取得了巨大的进步，但在其他方面还存在不足，来自中国和亚洲其他国家的竞争正威胁美国在材料研究方面的领导地位。报告建议美国国家相关机构要加大对材料研究的支持力度，确保美国材料研究的全球领先地位。

报告还指出了若干特别重要的材料研究的领域。如计算材料科学和工程领域，将计算方法（包括数据科学、机器学习和信息学）与材料表征、合成和加工方法相结合，加速材料发现和应用，并延伸到数字制造领域，其中增材制造和其他工艺将材料合成与制造直接联系起来。未来十年的另一个高度优选的领域是量子信息科学（QIS）的材料，不仅包括量子计算，还包括存储、量子传感和通信技术，以及利用超导体、半导体、磁性材料、二维（2D）和拓扑材料等方面的进展等。

报告认为，材料科学和技术对全球环境质量和可持续发展也有巨大的影响。其中一个十分重要且活跃的领域是新型化学催化材料的设计，如等离子体辅助的热电子催化；材料可持续制造，包括原材料选择、节能制造和可回收等。报告认为，加大对材料研究基础设施支持力度，对材料科学健康发展至关重要。

1.进展简述

近十年来，材料研究的方方面面都取得了非凡的进展，几乎涵盖了所有的材料类型。例如，在上次系列报告中，对石墨烯的关注并不是很高，但这一领域目前已成为了比其他二维材料更激动人心的领域。石墨烯激发了人们对新物理现象的研究，在太阳能电池、晶体管、相机传感器、数字屏幕和半导体等许多电子应用领域具有潜在的应用价值。另一个活跃的领域是增材制造的发展，虽然这一领域只有几十年的历史，但目前已成为一个重要工艺，既可用于大规模生产，也可用于一次性按需制造。其他重要进展包括经济实惠的发光二极管（LED）照明、平板显示器和改进的电池等。

材料科学一些重要研究进展是纯发现驱动科学的产物（如拓扑绝缘体），而另一些则是通过协调一致的技术努力而产生的（如Gorilla Glass,[注]大猩猩玻璃是由前身是美国康宁公司在1960年代生产的，具防弹功能的特种玻璃，常被用于直升机，在正常情况下，非故意损坏不会造成划痕，是一种环保型铝硅钢化玻璃，现在主要应用于防刮划性能要求高的高端智能手机屏幕)，还有一些则是这两者的某种结合（如增材制造和超分子材料vitrimers）。美国政府推出的材料基因组计划（MGI）和国家纳米技术计划（NNI）在促进美国材料研究方面发挥了重要作用。

在过去十年中，金属、块体金属玻璃、高性能合金、陶瓷和玻璃等领域取得了令人振奋的进展。由于复合材料和混合材料能够承受恶劣环境，如体相材料、复合材料和涂层材料，以及它们在设备中的功能性，因此它们已经得到了高价值的应用。涂层技术的进步提高了可靠性，并将其用于热保护和环境保护系统。在越来越多的应用中，分层材料系统正在取代先进的单片材料，在这些应用中，每一层的独特性能和功能显著提高了性能和寿命。在聚合物、各种生物材料以及软物质（如胶体和液晶）方面都取得了巨大的进展。

超导材料一直是一个富矿，而量子材料领域则更为普遍，正在迅速发展，包括量子自旋液体、强相关薄膜和异质结构、新型磁体、石墨烯和其他超薄材料，以及拓扑材料等。

2.未来研究机遇

材料科学在上述这些最新进展的基础上，预计未来十年还有其他许多研究机会，包括各种材料类别，预计拥有许多有价值的应用前景。例如，在金属和合金材料方面，未来将继续通过日益耦合的实验和计算建模，随材料条件和行为的变化进行实时表征。新的机遇还将来自设计、组成、加工和制造方法等方面的创新，这些创新利用了材料制造方面的先进能力。高熵合金（以可比浓度存在五种或五种以上元素）在未来十年将有着相当大的发展前景。这种材料提供了克服传统合金所面临的困境和障碍的可能性，例如强度和导电性的权衡。此外，在纳米金属合金等非传统领域的金属方面，预计也会取得进展。纳米结构金属合金的形态和复杂结构可以在纳米尺度上得到控制（例如纳米孪晶金属，nanotwinned metals）。

对金属、合金和陶瓷的研究继续提供对原子尺度过程的基本理解，原子尺度过程控制着许多种类材料的合成微结构-性能关系。有了这种理解和最先进的合成、表征和计算工具，新型合金和具有特殊性能的微/纳米结构正在被实现。传统的材料研究领域可以有惊人的新进展，例如，在多组分，高熵合金和无机玻璃。量子材料科学与工程，包括超导体、半导体、磁体以及二维和拓扑材料，代表了一个充满活力的基础研究领域。对材料科学的新理解和进展有助于在计算、数据存储、通信、传感和其他新兴技术领域实现变革性的未来应用。这包括超越摩尔定律的新计算方向，如量子计算和神经形态计算，对于传统处理器的低能量替代品至关重要。国家科学基金会（NSF）的两个“10个大创意”特别支持量子材料的支持（参见《量子跃迁：引领下一次量子革命和中尺度研究基础设施》）。

半导体和其他电子材料的大多数研究将继续受到信息和计算技术行业的推动，朝着越来越复杂的单片集成器件、功能更高的微处理器和充分利用三维（3D）布局的芯片方向发展。包括新器件材料，这些新器件结合了内存和逻辑功能，以及其他具有节能结构的器件，能够执行机器学习和其他算法，这些算法与传统的计算机逻辑和结构有很大的不同。能实现更高效的电力管理的材料研究也将继续成为一个主要焦点。二维材料，包括石墨烯，为探索表面电子态的性质提供了机会。通过对这类材料进行分层，层之间的弱相互作用和设计缺陷的存在，为发现提供了大量机遇，并为电子和光学应用提供了潜在的机会。拓扑材料的性质由其激发光谱的拓扑性质决定，将继续为探索提供广泛的领域，具有许多应用的潜力。在陶瓷领域，主要将围绕制造的节能工艺，这将使更致密和超高温陶瓷的生产成为可能。表征和加工能力的提高，为玻璃研究开辟了新的机遇，可能导致它们作为固体电解质用于储能和非线性光学器件。复合材料将越来越适合更先进的应用，远远超出传统的结构作用。

其他有希望的领域，包括将生物材料作为成分，并开发具有随时间以期望和可预测的方式变化的特性的材料。在混合材料领域，钙钛矿将继续引起人们的极大兴趣，这主要是因为它们对于单结太阳能电池的潜在优势。混合纳米复合材料由于其组成粒子具有良好的光学性能和高的载流子迁移率，在光电子学和光伏转换技术中具有广阔的应用前景。通过设计一种轻量化材料的复合电池，为航空航天、运输和能源生产等领域的一系列技术提供了机会。多功能材料，例如既提供结构又提供热管理、增强通信或传感能力的材料，是此类材料中越来越重要的部分。超材料是另一个重要的类别，其结构提供特定的功能响应，它们在许多不同的技术中提供了巨大的机会，如节能光源、传感应用、热工程和微波技术。

报告建议美国联邦机构（NSF、DOE、DOD）应维持强有力的材料项目，以支持并在某些情况下扩大在金属、合金和陶瓷等长期存在领域的基础研究。建议NSF、DOE、NIST、DOD和IARPA等部门密切合作，启动重大投资加速量子材料科学和工程的研发，这对未来的经济和国土安全至关重要。在能源部科学办公室和国家核安全局实验室以及国防部研究实验室（ARL、NRL、AFRL）可能的领导下，与先进计算有利害关系的美国机构应承诺在未来十年内支持研究新计算范式的基础材料科学的新举措。为了保持国际竞争力，美国材料研究界必须继续在这些领域发展壮大。

3.最终应用的需求

纯科学往往得益于接近应用研究。材料研究中的许多现实挑战和机遇发生在传统学科间的交叉点上，以及基础研究和应用研究的界面上。不同学科之间以及学术界、工业界和政府实验室之间的协作和信息传递，将会极大地增加了成功应对这些挑战，并抓住发展机遇的可能性。《报告》建议，由科技政策办公室（OSTP）领导的政府机构应高度重视，通过对跨学科研究的支持，以及在大学、私营企业之间建立更自由流动的互动模式，促进材料研究利益相关者之间和国家实验室的沟通（包括初创企业）。建议白宫科技政策办公室（OSTP）应在资助政策的制定方面发挥领导作用，使不同的资助机构能够在需要时合作，促进大学和行业研究人员之间的合作。

广泛的材料研究领域与工业部门的需求和利益之间存在着根本联系。仅以国家安全为例，材料研究已经产生了新的材料，这些新材料能够提供更轻的装甲，为战场上的作战人员提供更大的能量的电池，以及能够更好地承受极端条件的材料，例如用于高超音速飞行和推进系统的超高温材料，在2000°C以上运行。在能源相关行业，对能够在各种极端操作环境下工作的高性能材料的需求日益增长。两个高要求应用的例子是轻量级，高强度，高韧性材料用于航空和地面运输应用，结构材料和燃料系统用于先进的裂变或聚变能系统，能够抵抗高辐射剂量。一般来说，能源挑战涉及生产、分配、转导和利用。能源利用可以通过开发更好的催化材料等材料来提高。诸如改进的光伏和先进的电池等材料从根本上起到了作用。能源方面的另一个广泛的需求是，移动、储存、泵送和管理热量所需的材料。人类用于电力、加热和冷却以及运输的90%以上的能源来自热过程。因此，即使是在控制和转换热能的能力上的小效率改进，也会对世界能源使用产生重大影响。

材料研究界普遍希望大学、私营企业和国家实验室之间加强互动，简化合作和信息流动，加强基础科学，促进实际进展和技术挑战。《报告》建议由美国国家科学基金会（NSF）多部门合作资助并设立一种为期十年的新型研究中心，吸引学生、教师和工业科学家和工程师并肩工作。这种发现到转化材料研究中心（DTMRC），将创造一种独特的学习和研究环境。DTMRC的概念将补充NSF现有的促进基础研究的“材料研究科学和工程中心”及其促进技术发展的“工程研究中心”，使两者以前所未有的方式实现功能协同。

此外，材料科学和技术对地球环境质量和可持续发展有着巨大的影响，这是大学、国家实验室和工业合作的另一个重要机会。迫切需要从多个方向开展研究，以改善材料的可持续制造，包括原料选择、能源效率、可回收性等。科学基金会、能源部和其他机构应制定为可持续性目标的材料研究提供资金的创新方法。

4.基础设施需求

材料研究的核心是评估和表征材料、加工和合成材料以及建模和模拟其性能的能力。仪器和设施网络是支持整个材料研究企业的基础设施，它使研究人员能够从单个研究人员，通过中型仪器设施和科学研究中心，到国家设施，进行这些研究。对研究基础设施的巨大需求存在于材料研究的所有子领域，在过去的10年中，获取和维护最先进的研究基础设施的成本不断上升，加上缺乏足够的仪器设备融资渠道，使得美国整个材料科学与工程界面临着严峻的形势。各级基础设施，从用于材料表征、合成和加工的中等规模仪器，采购成本为400万美元到1亿美元，从大学和国家实验室到大型研究中心，如同步加速器光源、自由电子激光器、中子散射源、高场磁体和超导体对美国材料科学界的健康发展至关重要。尤其是中规模基础设施，近年来被严重忽视，维护成本和专业技术人员大幅增加。

工欲善其事，必先利其器，在过去十年中，材料研究的许多重要进展得益于基础设施建设和研究工具的改进。材料研究人员在表征、合成和加工以及计算能力方面取得了重大进展，从而使以前无法实现的材料研究成为可能。特别是通过诸如透射电子显微镜、原子探针层析成像（APT）、扫描探针显微镜、超快探针以及3D和4D表征能力（其中3D是我们常见的具有长度、宽度和深度的三维空间，4D增加了时间维度）等工具，表征技术得到了提高。精准合成有望以革命性的方式改变材料科学。许多方法和工具正在实现精准合成的新功能。现在，最先进的技术使研究人员能够以逼真和精确的方式控制原子、分子和缺陷的位置和排列，后者非常重要，因为它们经常控制材料的特性。在计算能力方面，多长度尺度上对材料建模的显著改进，使得（例如）能够以高保真度计算材料特性。这些计算得出的结果被用来预测许多材料类型的结构-性能关系，发现新的结构，并加强对实验数据的解释。除了基于物理的模型外，数据驱动的机器学习还被用来探索材料的组成空间，识别新的结构，发现量子相，以及识别相和相变。

另一个主要的推动进展是通过对材料性能的计算设计、纳米到微米控制的制造工艺以及同样精细分辨率的实验表征方法的融合。这些能力的集成使得通过适当规模的建筑控制创造出具有根本优越性能的新型体相材料成为可能。在过去的几个世纪里，与拱门、柱、梁和扶壁革命性地改变了建筑、塔和桥梁的建造方式一样，材料界现在正在开发材料建筑，以将材料设计空间扩展到多个维度，独立地处理当前耦合的材料特性，以及开发出比固体物体具有更优越性能的材料。美国一些主要材料设施产生的大量数据，使得人们对将这些实验与建模和仿真能力相结合产生了浓厚的兴趣。一些机构已经开发出先进的计算工具，在功能材料的预测建模以及跨多个长度尺度的一致理解材料方面发挥着重要作用。

在大多数情况下，资助大多数大学研究的联邦机构、私人基金会和行业不为开展这项工作所需的仪器提供资金。NSF是主要的例外，通过其主要研究仪器（MRI）项目赞助研究仪器。但该项目规模不够大，无法满足材料研究和工程的当前需求。国防部（DoD）的国防大学研究仪器计划（Durip）原则上可以提供帮助，但其典型拨款水平对于材料科学和工程中使用的大部分仪器来说太低了。能源部（DOE）运营着许多材料研究领域不可或缺的令人印象深刻的散射设施，正如美国国家标准与技术研究所（NIST）中子研究中心和美国国家航空航天局（NASA）在国际空间站（ISS）的支持部分关键材料研究。然而，这些国家设施虽然对我们在材料研究方面的持续进展至关重要，但却不能满足大学研究基础设施的需求，因为大学是国家最前沿的材料研究的地方。在许多情况下，在校园内配备仪器是至关重要的，例如，一个涉及新材料合成的研究项目通常需要在合成、结构和性能测量之间建立一个恒定且即时的反馈回路，该回路可能在短时间内经历多个周期。依靠远程设施进行这项研究是不可行的。大多数材料研究都是这样。

由于缺乏资金选择，支持研究仪器的负担主要转移到了大学。典型的结果是，大学支持新的研究仪器，作为吸引年轻实验家的一揽子计划的一部分。但这种模式的后果是缺乏资金来维持和升级仪器。这一模式还导致年轻人就业压力下降。《报告》建议，所有对材料研究感兴趣的美国政府机构都应实施国家战略，以确保大学研究小组和国家实验室能够在当地开发并持续支持使用先进的中型仪器和实验室基础设施材料研究。该基础设施包括材料生长和合成设施、氦液化器和回收系统、无制冷剂冷却系统和先进的测量仪器。各机构还应继续支持大型设施，如橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、阿贡国家实验室、SLAC国家加速器实验室、国家同步辐射光源II（布鲁克海文国家实验室）、国家标准技术研究所，并且参与并投资于现有设施升级和更换的长期规划。

三维（3D）表征、计算材料科学以及先进制造和加工技术的进步使材料研究领域的数字化程度不断提高，在某些情况下，大大加快和压缩了从发现到包含在新产品中的时间。《报告》建议，联邦机构（包括NSF和DOE）应在2020年前扩大对自动化材料制造的投资，其任务应与增材制造和其他数字控制制造模式的发展保持一致。增加的投资应该跨越支持自动化材料合成和制造的多个学科。从最基础的研究到产品实现，包括通过计算技术的进步实现的实验和建模能力，以实现到2030年美国在该领域处于领先地位的目标。

材料基因组计划和早期的集成计算材料工程方法，认识到了集成和协调计算方法、信息学、材料表征以及合成和加工方法的潜力，以加速在产品中发现和部署设计师材料。将这些方法转化为特定的行业已经产生了许多成功的应用，这些应用通过相应的成本节约缩短了开发时间。《报告》建议，美国政府应与国家科学基金会、国防部和能源部协调，支持开发新的计算和先进的数据分析方法的探索，发明新的实验工具来探测材料的特性，并设计新的合成和处理方法。应通过明智的机构投资，从今天的水平加快这一努力，并在未来十年内继续努力，以保持美国的竞争力。

5.材料研究的国家竞争力

材料研究对一个国家的经济福祉和安全的重要性现在已经得到了肯定，世界各国都在寻求国家项目来支持材料研究，并促进材料研究向市场的过渡。发达国家和发展中国家在包括智能制造和材料科学在内的现代经济驱动力领导权方面的激烈竞争将在未来十年增长。许多国家的计划比美国的计划更注重经济发展，更直接地与经济发展挂钩。与美国和欧洲国家相比，亚洲国家，尤其是中国和韩国，目前在材料研究方面的投资占其国内生产总值（GDP）的比例更大。《报告》建议，美国政府应在所有支持材料研究的机构的投入下，从2020年开始采取协调措施，全面评估全球竞争加剧对其在材料科学和先进和智能制造领域领导地位的威胁。评估计划应在永久性基础上制定，并应在2022年前确定一项应对这种威胁的战略。

总之，材料研究是经济增长、国家竞争力、财富与贸易、健康与福利以及国防的重要基础。到目前为止，材料研究对新兴技术、国家需求和科学的影响非常重要，随着数字和信息时代的发展，面临当前和未来的全球挑战，预计这一影响将更大。世界上许多较大国家和经济体已经认识到这种关系。最近的趋势表明，许多国家已制定并阐述了国家投资战略，以确保在材料研究方面取得强劲进展，提高全球经济中的国家竞争力。

参考文献：National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine 2019. Frontiers of Materials Research: A Decadal Survey. Washington, DC: The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/25244.