《材料研究前沿：十年調(diào)查》概要

現(xiàn)代材料科學(xué)以物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)科學(xué)以及工程科學(xué)知識為基礎(chǔ)，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(chǔ)科學(xué)為基礎(chǔ)，但仍然致力于發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)可靠且經(jīng)濟(jì)可行的材料，從超合金到聚合物基復(fù)合材料，這些材料已被大量應(yīng)用于當(dāng)今社會(huì)和經(jīng)濟(jì)所必需的產(chǎn)品中。

這份報(bào)告是由美國國家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation,NSF)和能源部(Department of Energy,DOE)立項(xiàng)并資助，深入達(dá)成一致共識的研究結(jié)果，旨在從全世界相似的研究中，記錄美國材料領(lǐng)域的現(xiàn)狀和未來潛在的研究方向。本報(bào)告是有關(guān)材料研究的第3次十年調(diào)查。第一份報(bào)告(《1990年代的材料科學(xué)與工程：保持材料時(shí)代的競爭力》，國家學(xué)術(shù)出版社，華盛頓)發(fā)表于1990年，第二份報(bào)告(《凝聚態(tài)物質(zhì)和材料物理學(xué)：我們周圍世界的科學(xué)》，國家學(xué)術(shù)出版社，華盛頓)發(fā)表于2010年。2019年的第3次報(bào)告回顧了過去10年材料研究的進(jìn)展和成就，以及材料研究領(lǐng)域的變化；預(yù)測了2020～2030年間的投資機(jī)會(huì)以及材料研究對新興技術(shù)、國家需求和科學(xué)的影響，并預(yù)測了企業(yè)在未來10年可能面臨的挑戰(zhàn)。

在過去的10年里，材料研究取得了許多突破傳統(tǒng)思維模式的進(jìn)展，材料發(fā)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(jì)算機(jī)模擬的能力)已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，使得以前無法實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域得以實(shí)現(xiàn)。科學(xué)與工程是令人興奮的，創(chuàng)造和控制新材料的前景很樂觀，通往重要應(yīng)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(yù)見的許多進(jìn)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(lǐng)導(dǎo)地位。

某些領(lǐng)域的材料研究尤為重要，如計(jì)算材料科學(xué)與工程領(lǐng)域。將計(jì)算方法(包括數(shù)據(jù)科學(xué)，機(jī)器學(xué)習(xí)和信息學(xué))與材料表征、合成與加工方法相結(jié)合，加速了新材料的發(fā)現(xiàn)及其在產(chǎn)品中的應(yīng)用。這種勢頭將延伸到數(shù)字化制造領(lǐng)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(jié)合。在未來的10年里，量子信息科學(xué)材料(quantum information science，QIS)也將成為另一個(gè)優(yōu)先的方向。量子信息科學(xué)不僅包括量子計(jì)算，還包括存儲(chǔ)、量子傳感和通信技術(shù)，且已應(yīng)用到了超導(dǎo)體、半導(dǎo)體、磁體以及二維(2D)材料和拓?fù)洳牧?topological materials)的研究中。

從整個(gè)材料的大范圍來看，材料科學(xué)與技術(shù)對地球環(huán)境質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展有巨大影響，例如可以通過設(shè)計(jì)新型材料來催化一系列重要的化學(xué)反應(yīng)。研究人員已經(jīng)開展了很多關(guān)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(xù)制造，例如，原材料的選擇、節(jié)能的制造方法和可回收性。需要大學(xué)、國家實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)之間展開密切的合作，這一需求也在本報(bào)告中多次出現(xiàn)。

報(bào)告建議，要持續(xù)對各級研究基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行投資，包括從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室儀器到國家實(shí)驗(yàn)室的大型設(shè)備，這些設(shè)備對美國材料科學(xué)企業(yè)的健康發(fā)展至關(guān)重要。基礎(chǔ)設(shè)施是美國材料研究的寶貴財(cái)富，為了材料領(lǐng)域的產(chǎn)出和健康發(fā)展，它必須保持世界領(lǐng)先水平。

1.過去10年進(jìn)展

近10年來，材料研究的方方面面都取得了很大進(jìn)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(xué)科調(diào)查中僅僅受到些許的關(guān)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(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們對新物理現(xiàn)象的研究，其在太陽能電池、晶體管、相機(jī)傳感器、數(shù)字屏幕和半導(dǎo)體等許多電子領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。過去10年中另一個(gè)意想不到的是增材制造(additive manufacturing，AM)的發(fā)展，雖然這一領(lǐng)域只有幾十年的歷史，但現(xiàn)在既可以批量生產(chǎn)，也可以根據(jù)需要進(jìn)行一次性生產(chǎn)。其他一些主要材料的發(fā)展包括經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)照明、平板顯示器以及電池的改進(jìn)等。

材料科學(xué)一些重要的進(jìn)展是純粹的發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)科學(xué)的產(chǎn)物(例如拓?fù)浣^緣體)，其他則是通過協(xié)同技術(shù)產(chǎn)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(jì)劃(Materials Genome Initiative，MGI)和國家納米技術(shù)計(jì)劃(National Nanotechnology Initiative，NNI)這兩項(xiàng)主要的政府舉措，在促進(jìn)美國材料研究方面發(fā)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(lǐng)域取得了令人振奮的進(jìn)展。由于復(fù)合材料和雜化材料能夠承受惡劣環(huán)境以及其對器件的保護(hù)性，使得它們具有很高的應(yīng)用價(jià)值。涂層技術(shù)的進(jìn)步提高了可靠性，廣泛應(yīng)用于熱保護(hù)和環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)。在越來越多的應(yīng)用中，層狀材料體系正在取代先進(jìn)單片材料，每一層的獨(dú)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(zhì)(如膠體和液晶)方面也取得了巨大的進(jìn)展。

超導(dǎo)研究一直是一個(gè)多產(chǎn)的領(lǐng)域。對量子材料領(lǐng)域的研究也更加普遍而且發(fā)展迅速，主要包括量子自旋(quantum-spin)液體、強(qiáng)相關(guān)(strongly correlated)薄膜和異質(zhì)結(jié)構(gòu)(heterostructures)、新型磁體、石墨烯和其他超薄材料以及拓?fù)洳牧系取?/p>

2.未來研究機(jī)會(huì)

在上述最新進(jìn)展的基礎(chǔ)上，該報(bào)告還發(fā)現(xiàn)了許多預(yù)計(jì)將在未來10年出現(xiàn)的材料研究機(jī)會(huì)。這些機(jī)會(huì)將涵蓋幾乎所有材料類別，承載了許多有價(jià)值的應(yīng)用。

未來對金屬和合金的基礎(chǔ)理論理解將通過日益耦合的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算建模來推進(jìn)，并隨著條件和行為的變化對材料進(jìn)行原位表征。新機(jī)遇還將來自設(shè)計(jì)、組合、加工和制備方法等方面的創(chuàng)新，以及先進(jìn)設(shè)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(huì)有相當(dāng)大的前景。這種合金材料有望克服傳統(tǒng)合金所面臨困境和障礙，例如強(qiáng)度和延展性無法同時(shí)提升的問題。其次是納米金屬合金，這個(gè)非傳統(tǒng)金屬領(lǐng)域預(yù)計(jì)也會(huì)取得進(jìn)展，合金的形態(tài)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以在納米尺度控制(例如，納米孿晶金屬)。

信息和計(jì)算技術(shù)行業(yè)將繼續(xù)推動(dòng)半導(dǎo)體和其他電子材料的研究，朝著日益復(fù)雜的單片集成器件、功能更強(qiáng)大的微處理器以及充分利用三維(3D)布局的芯片發(fā)展。這些材料應(yīng)用于新器件，以及其他具有節(jié)能架構(gòu)的設(shè)備，這些新器件結(jié)合了內(nèi)存和邏輯功能，能夠執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)和其他算法，而這些算法與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)邏輯和結(jié)構(gòu)有很大的不同。該研究將在多級功率和電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高效的電力管理，也成為了一個(gè)各界關(guān)注的焦點(diǎn)。

二維材料(包括石墨烯)為探索表面電子態(tài)的性質(zhì)提供了機(jī)會(huì)。通過對這些材料進(jìn)行分層，通過疊加這種材料，層之間的弱相互作用及缺陷設(shè)計(jì)帶來了廣闊的探索空間，為在電子和光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供潛在機(jī)會(huì)。拓?fù)洳牧系男再|(zhì)由其激發(fā)光譜的拓?fù)湫再|(zhì)決定，同樣具有很大的應(yīng)用潛力。

在陶瓷領(lǐng)域，將主要圍繞節(jié)能化的生產(chǎn)工藝，使致密和超高溫陶瓷的生產(chǎn)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(jī)遇，可能會(huì)使得其作為固體電解質(zhì)用于能量儲(chǔ)存和非線性光學(xué)器件。

復(fù)合材料將越來越適用于更先進(jìn)的應(yīng)用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)材料的結(jié)構(gòu)作用。未來有望引入生物材料，開發(fā)出能夠以期望的和可預(yù)測的方式調(diào)控性能的材料。在雜化材料領(lǐng)域，鈣鈦礦將繼續(xù)引起人們的極大興趣，主要是因?yàn)槠鋵谓Y(jié)太陽能電池具有潛在的優(yōu)勢。雜化納米復(fù)合材料由于其組成粒子具有良好的光學(xué)性能和高載流子遷移率，在光電子學(xué)和光電轉(zhuǎn)換技術(shù)中具有較好應(yīng)用前景。

人工材料和超材料之所以受到關(guān)注，主要是因?yàn)樗鼈兾⒚谆蚣{米級別的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極大增強(qiáng)了所制器件的功能。通過復(fù)合成分分布設(shè)計(jì)達(dá)到材料輕量化，為航空航天、運(yùn)輸和能源生產(chǎn)等領(lǐng)域的一系列技術(shù)提供了機(jī)遇。多功能材料，例如既提供結(jié)構(gòu)又提供熱管理、增強(qiáng)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(gè)重要的類別，其結(jié)構(gòu)提供特定的功能響應(yīng)，并且為許多技術(shù)應(yīng)用提供了機(jī)遇，如節(jié)能光源、傳感應(yīng)用、熱工程和微波技術(shù)等。

主要發(fā)現(xiàn)：對金屬、合金和陶瓷繼續(xù)進(jìn)行原子尺度的研究，探究材料合成——微結(jié)構(gòu)——性能關(guān)系。有了這種理解和最先進(jìn)的合成、表征和計(jì)算工具，新型合金和具有特殊性能的微/納米結(jié)構(gòu)正在被實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)材料研究領(lǐng)域也有驚人的新進(jìn)展，例如在多組分、高熵合金和無機(jī)玻璃方面。

主要建議：美國聯(lián)邦機(jī)構(gòu)(NSF、DOE、DOD)應(yīng)維持穩(wěn)健的項(xiàng)目，以支持在某些情況下會(huì)擴(kuò)大并長期存在的領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，如金屬、合金和陶瓷等。

主要發(fā)現(xiàn)：量子材料科學(xué)與工程，包括超導(dǎo)體、半導(dǎo)體、磁體和二維及拓?fù)洳牧希砹艘粋€(gè)充滿活力的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。對材料科學(xué)的新理解有助于未來在計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信、傳感和其他新興技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)變革性的應(yīng)用。這包括超越摩爾定律的新計(jì)算方向，例如量子計(jì)算和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，對傳統(tǒng)處理器的低能耗替代品至關(guān)重要。美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)的兩個(gè)“十大創(chuàng)意”專門確定了對量子材料的支持(參見《量子躍進(jìn)：引領(lǐng)下一次量子革命和中尺度研究基礎(chǔ)設(shè)施》)。

主要建議：美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)、能源部(DOE)、美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)、國防部(DOD)和情報(bào)先進(jìn)研究計(jì)劃局(IARPA)的重大投資和合作將加速量子材料科學(xué)與工程的進(jìn)步，這對美國未來經(jīng)濟(jì)和國土安全至關(guān)重要。在美國能源部科學(xué)辦公室和國家核安全局實(shí)驗(yàn)室以及國防部研究實(shí)驗(yàn)室(陸軍研究實(shí)驗(yàn)室ARL，海軍研究實(shí)驗(yàn)室NRL，空軍研究實(shí)驗(yàn)室AFRL)的領(lǐng)導(dǎo)下，與先進(jìn)計(jì)算有利益關(guān)系的機(jī)構(gòu)應(yīng)在接下來的10年中支持研究新計(jì)算范例的基礎(chǔ)材料科學(xué)。為了保持國際競爭力，美國材料研究界將繼續(xù)在這些領(lǐng)域發(fā)展壯大。

3.最終應(yīng)用方面的需求

廣泛的材料研究領(lǐng)域與工業(yè)部門的需求和利益之間存在著根本性的聯(lián)系。僅以國家安全為例，材料研究已經(jīng)開發(fā)出能夠提供更輕裝甲的新材料，為戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)人員提供多動(dòng)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(jìn)系統(tǒng)的工作溫度超過2000 ℃。

在與能源相關(guān)的行業(yè)中，對能夠在各種極端操作環(huán)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(yùn)輸?shù)妮p質(zhì)、高強(qiáng)、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(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料和燃料系統(tǒng)。一般來說，能源方面的挑戰(zhàn)涉及生產(chǎn)、分配、轉(zhuǎn)換和利用。諸如光伏電池和先進(jìn)電池等材料的改進(jìn)從根本上對能源做出了貢獻(xiàn)。能源利用率也可以通過開發(fā)更好的催化劑等材料來提高。

另一個(gè)廣泛的需求是移動(dòng)、儲(chǔ)存、泵送和管理熱量所需的材料。人類用于發(fā)電、加熱和冷卻以及運(yùn)輸?shù)哪茉矗?0%以上來自熱過程。因此，即便是控制和轉(zhuǎn)換熱能能力的小幅提高，也會(huì)對世界的能源使用產(chǎn)生重大影響。

材料研究界普遍希望大學(xué)、私營企業(yè)和國家實(shí)驗(yàn)室之間能夠加強(qiáng)互動(dòng)，特別是加強(qiáng)材料科學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域之間的合作和信息交流。應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)的理論與技術(shù)的相互聯(lián)系，以理論指導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步，以技術(shù)促進(jìn)新理論的突破，將會(huì)產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益。全球都需要將基礎(chǔ)理論發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為實(shí)用技術(shù)。新的激勵(lì)機(jī)制旨在鼓勵(lì)教師、學(xué)生、科學(xué)家和工程師進(jìn)行親密的團(tuán)隊(duì)合作。

主要發(fā)現(xiàn)：材料研究中的許多現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)和機(jī)遇發(fā)生在傳統(tǒng)學(xué)科之間的交叉點(diǎn)上，以及基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究之間的交界處。不同學(xué)科之間以及學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府實(shí)驗(yàn)室之間的協(xié)作和信息傳遞將極大地增加成功應(yīng)對挑戰(zhàn)并利用機(jī)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(jī)構(gòu)應(yīng)高度重視，通過對跨學(xué)科研究的支持，以及建立大學(xué)、私營企業(yè)(包括初創(chuàng)企業(yè))和國家實(shí)驗(yàn)室之間更自由流動(dòng)互動(dòng)的模式，促進(jìn)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(yīng)在資助政策制定方面發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用，使各種資助機(jī)構(gòu)能夠在需要時(shí)協(xié)同工作，促進(jìn)大學(xué)和行業(yè)研究人員之間的合作。

主要建議：美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)應(yīng)建立材料研究轉(zhuǎn)化中心(Discovery to Translation Materials Research Center，DTMRC)，使學(xué)生、教師、科學(xué)家和工程師能夠并肩工作。這項(xiàng)工作也應(yīng)得到相關(guān)NSF部門的支持，并至少持續(xù)10年。

DTMRC的理念是補(bǔ)充NSF現(xiàn)有促進(jìn)基礎(chǔ)研究的“材料科學(xué)與工程研究中心”，以及促進(jìn)技術(shù)發(fā)展的“工程研究中心”，并使兩者實(shí)現(xiàn)功能性協(xié)同。基礎(chǔ)材料的研究一直十分重要，將基礎(chǔ)材料研究與技術(shù)更緊密地聯(lián)系起來并不意味著減少投入高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目。

主要發(fā)現(xiàn)：材料科學(xué)和技術(shù)對地球環(huán)境質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展有著巨大的影響，這是大學(xué)、國家實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)合作的一個(gè)重要機(jī)會(huì)。

主要建議：迫切需要從多個(gè)方向開展研究，以改善材料的可持續(xù)制造，包括原料選擇、能源效率、可回收性等。科學(xué)基金會(huì)、能源部和其他機(jī)構(gòu)應(yīng)提出創(chuàng)新的方案，為這方面的研究提供資金。

4.對基礎(chǔ)設(shè)施的需求

過去10年，材料研究的許多進(jìn)展得益于對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)投資和研究工具的改進(jìn)。面向更多新機(jī)會(huì)，該報(bào)告確定了許多必要的結(jié)構(gòu)性步驟，以促進(jìn)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(jì)算能力方面取得了重大進(jìn)展，從而使以前無法實(shí)現(xiàn)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(shí)間維度)等工具，使得表征技術(shù)得到了提高。精準(zhǔn)合成有望以革命性的方式改變材料科學(xué)。許多方法和工具也正在實(shí)現(xiàn)精確合成的新功能。現(xiàn)有技術(shù)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(jì)算能力方面，研究人員在多尺度上對材料建模進(jìn)行改進(jìn)，能夠以高保真度計(jì)算材料特性。這些計(jì)算結(jié)果被用于預(yù)測多種材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系、發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)，并能夠加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解釋。除了基于物理模型，由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)還被用于探索材料的組成、識別新結(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)量子相位以及識別相位和相變。

另一個(gè)主要的進(jìn)步是對材料性能的計(jì)算設(shè)計(jì)、納米到微米控制的制造工藝以及具有同樣精準(zhǔn)分辨率的實(shí)驗(yàn)表征方法的融合。這些功能的集成使得通過結(jié)構(gòu)控制來開發(fā)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(fā)“材料建筑”，將材料設(shè)計(jì)空間擴(kuò)展到多個(gè)維度，獨(dú)立處理當(dāng)前材料的特性，開發(fā)出比現(xiàn)有固態(tài)物質(zhì)具有更優(yōu)越性能的材料。在美國，一些主要材料設(shè)施產(chǎn)出的大量數(shù)據(jù)引起了人們將這些數(shù)據(jù)與建模相結(jié)合的濃厚興趣。一些機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出先進(jìn)的計(jì)算工具，這在功能材料的預(yù)測建模以及跨越多個(gè)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(shè)施網(wǎng)絡(luò)(從個(gè)人研究人員到中型儀器設(shè)施和科學(xué)研究中心，再到國家級設(shè)施)，是支撐整個(gè)材料研究事業(yè)的基礎(chǔ)。

過去10年，材料研究幾乎所有領(lǐng)域都對基礎(chǔ)研究設(shè)施有巨大需求，購買和維護(hù)最先進(jìn)基礎(chǔ)研究設(shè)備的成本不斷上升，加上缺乏足夠的儀器設(shè)備融資渠道，使得美國的材料科學(xué)與工程研究面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

多數(shù)情況下，為大學(xué)研究提供資金的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、私人基金會(huì)和企業(yè)都沒有為所需的儀器提供足夠的資金。美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)通過主要研究儀器(Major Research Instrumentation，MRI)計(jì)劃贊助科研儀器。但該計(jì)劃規(guī)模不足以滿足當(dāng)前需求。美國國防部(DOD)的國防大學(xué)研究儀器項(xiàng)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(yùn)營著許多尖端的散射設(shè)施。正如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)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(guān)鍵材料研究一樣，這些散射設(shè)施也支持一些領(lǐng)域的材料研究。然而，這些國家設(shè)施不能滿足大學(xué)基礎(chǔ)研究設(shè)施的最前沿需求。因此，在校園內(nèi)配備儀器至關(guān)重要。例如，涉及新材料合成的研究項(xiàng)目通常需要在合成、結(jié)構(gòu)和性能測試之間進(jìn)行持續(xù)且即時(shí)的反饋與循環(huán)測試，依靠遠(yuǎn)程設(shè)施進(jìn)行這種研究是不可行的，但大多數(shù)材料研究都是如此。

因此，支持研究儀器的資金負(fù)擔(dān)主要轉(zhuǎn)移到了大學(xué)。大學(xué)支持研究新的儀器以吸引年輕的實(shí)驗(yàn)員，但這種模式下儀器仍然缺乏資金來維持和升級，還會(huì)導(dǎo)致雇用年輕人的下行壓力。

主要發(fā)現(xiàn)：從大學(xué)和國家實(shí)驗(yàn)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(chǔ)設(shè)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(dǎo)體等用于材料表征、合成和加工的中等規(guī)模儀器，對美國材料科學(xué)界的健康發(fā)展至關(guān)重要。尤其是中規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施近年來被嚴(yán)重忽視，使得維護(hù)成本和聘用專業(yè)技術(shù)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(jī)構(gòu)都應(yīng)實(shí)施國家戰(zhàn)略，以確保大學(xué)研究小組和國家實(shí)驗(yàn)室能夠在當(dāng)?shù)亻_發(fā)并持續(xù)使用材料研究所需的先進(jìn)中型儀器以及實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施。該基礎(chǔ)設(shè)施包括材料生長和合成設(shè)施、氦液化器和回收系統(tǒng)、無制冷劑冷卻系統(tǒng)和先進(jìn)的測量儀器。這些機(jī)構(gòu)還應(yīng)繼續(xù)支持大型設(shè)施，如橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室、國家同步輻射光源II(布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室)、國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的設(shè)施，并且對現(xiàn)有設(shè)施升級及更換的長期規(guī)劃進(jìn)行參與并投資。

主要發(fā)現(xiàn)：三維(3D)表征、計(jì)算材料科學(xué)以及先進(jìn)制造和加工技術(shù)的進(jìn)步使材料研究領(lǐng)域的數(shù)字化程度不斷提高，在某些情況下，大大縮短了新產(chǎn)品從發(fā)現(xiàn)到使用的時(shí)間。

主要建議：聯(lián)邦機(jī)構(gòu)(包括NSF和DOE)應(yīng)在2020年前擴(kuò)大對自動(dòng)化材料制造的投資，其任務(wù)應(yīng)與增材制造和其他數(shù)控制造模式的發(fā)展保持一致。增加的投資應(yīng)支持跨越自動(dòng)化材料合成和制造的多個(gè)學(xué)科。從最基礎(chǔ)的研究到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，包括通過計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)和模擬能力，達(dá)到2030年美國在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的目標(biāo)。

主要發(fā)現(xiàn)：材料基因組計(jì)劃和早期的集成計(jì)算材料工程方法，讓我們認(rèn)識到了集成和協(xié)調(diào)計(jì)算方法、信息學(xué)、材料表征以及合成和加工方法的潛力，以加速產(chǎn)品中所設(shè)計(jì)材料的發(fā)現(xiàn)和部署。將這些方法轉(zhuǎn)化到特定的行業(yè)已經(jīng)產(chǎn)生了許多成功的應(yīng)用，這些應(yīng)用也通過相應(yīng)的成本節(jié)約縮短了開發(fā)時(shí)間。

主要建議：美國政府在國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)、國防部(DOD)和能源部(DOE)的配合下，應(yīng)支持開發(fā)探索新的計(jì)算方法和先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析方法，發(fā)明新的實(shí)驗(yàn)工具來探測材料的特性，設(shè)計(jì)新的合成和加工方法。當(dāng)前政府機(jī)構(gòu)的投資力度應(yīng)當(dāng)加大，并在未來10年繼續(xù)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(gè)國家的經(jīng)濟(jì)福祉和安全的重要性不言而喻，世界各國都在尋求國家項(xiàng)目來支持材料研究，并促進(jìn)材料研究向市場的過渡。作為研究進(jìn)展的一部分，該報(bào)告就材料研究對世界經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)、材料項(xiàng)目以及若干國家的投資情況進(jìn)行了調(diào)查。許多國家的項(xiàng)目比美國的項(xiàng)目更注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展，更直接地與經(jīng)濟(jì)發(fā)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(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的比例更大。

主要發(fā)現(xiàn)：發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家之間在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力(包括智能制造和材料科學(xué))領(lǐng)域的激烈競爭將在未來10年持續(xù)增長。

主要建議：在支持材料研究的機(jī)構(gòu)的投入下，美國政府應(yīng)從2020年開始采取協(xié)調(diào)措施，全面評估全球競爭加劇對美國在材料科學(xué)、先進(jìn)智能制造領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)地位的威脅。評估計(jì)劃應(yīng)建立在永久性基礎(chǔ)上，并應(yīng)在2022年前確定一項(xiàng)應(yīng)對這種威脅的戰(zhàn)略。

材料研究是經(jīng)濟(jì)增長、國家競爭力、財(cái)富與貿(mào)易、健康與福利以及國防的重要基礎(chǔ)。世界上許多較大國家和經(jīng)濟(jì)體已經(jīng)認(rèn)識到這種關(guān)系。最近的趨勢表明，許多國家已制定并明確了國家投資戰(zhàn)略，以確保在材料研究方面取得有力進(jìn)展、增強(qiáng)在全球經(jīng)濟(jì)中的國家競爭力。到目前為止，材料研究對新興技術(shù)、國家需求和科學(xué)的影響非常重要，隨著美國在數(shù)字和信息時(shí)代的發(fā)展，面臨著全球當(dāng)前和未來的挑戰(zhàn)，預(yù)計(jì)這種影響將會(huì)更大。

(原報(bào)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.)