材料科學研究前沿：回顧與展望
文 | 賀飛（北京大學）
本文2019年3月3日首發(fā)于里瑟奇智庫公眾號，參見：https://mp.weixin.qq.com/s/UWnU-SYweZ0p_2lRAQo2IQ
現(xiàn)代材料科學以物理學、化學、生物學、數(shù)學、計算機和數(shù)據(jù)科學以及工程科學的知識為基礎，使我們能夠理解、控制和擴展材料世界。盡管材料科學植根于基于探究的基礎科學，但它致力于發(fā)現(xiàn)和生產可靠且經(jīng)濟可行的材料，從超級合金到聚合物復合材料，這些材料被用于當今社會和經(jīng)濟所必需的大量產品中。 近日，美國科學院、工程院和醫(yī)學科學院發(fā)布了全球材料科學研究報告《材料研究前沿：十年調查（2019）》（Frontiers of Materials Research: A Decadal Survey (2019)(下文簡稱《報告》，英文版全文參見：http://nap.edu/25244)
這份報告是應美國國家科學基金會（NSF）和能源部（DOE）要求撰寫的，來自美國和全球材料科學的專家組，在深入和廣泛的共識研究基礎上，闡明美國和全球材料研究的現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向。報告這是材料研究的第三次十年調查。第一份報告題為《1990年代的材料科學和工程：保持材料時代的競爭力》（1990年），第二份報告題為《凝聚態(tài)物質和材料物理學：我們周圍世界的科學》（2010年）。
本報告回顧了材料研究的進展和成就，以及過去十年材料研究格局的變化，從材料類型、形式/結構、性質和現(xiàn)象以及材料科學全方位研究方法（包括實驗、理論、計算、建模和仿真、儀器/技術開發(fā)、合成、表征等）等方面，全方位評估了最近十年美國和全球材料科學的發(fā)展現(xiàn)狀。報告全面評估了過去十年材料研究的進展和成就，厘清了近十年來美國和全球材料研究的內部和外部環(huán)境的主要變化及其影響，面臨的主要挑戰(zhàn)和應對主措，提出了相關政策建議，包括未來十年的投資機會和新的研究領域，以及相關資助政策和產業(yè)政策。
報告認為，在過去的十年中，材料研究取得了許多明顯改變范式的進展，發(fā)現(xiàn)的速度也在加快。此外，支持這項研究的工具——包括材料表征、合成和加工以及計算建模的能力——已經(jīng)取得了相當大的進步，使得以前無法實現(xiàn)的見解得以實現(xiàn)?？茖W和工程是令人興奮的，創(chuàng)造和控制新材料的前景是很好的，重要應用的途徑是非常令人鼓舞的。報告指出，最近十年來，全球材料研究的在幾乎所有領域上都取得了重大突破，而美國大學、國家實驗室和工業(yè)界主要是在材料生長、測量和計算方面取得了巨大的進步，但在其他方面還存在不足，來自中國和亞洲其他國家的競爭正威脅美國在材料研究方面的領導地位。報告建議美國國家相關機構要加大對材料研究的支持力度，確保美國材料研究的全球領先地位。
報告還指出了若干特別重要的材料研究的領域。如計算材料科學和工程領域，將計算方法（包括數(shù)據(jù)科學、機器學習和信息學）與材料表征、合成和加工方法相結合，加速材料發(fā)現(xiàn)和應用，并延伸到數(shù)字制造領域，其中增材制造和其他工藝將材料合成與制造直接聯(lián)系起來。未來十年的另一個高度優(yōu)選的領域是量子信息科學（QIS）的材料，不僅包括量子計算，還包括存儲、量子傳感和通信技術，以及利用超導體、半導體、磁性材料、二維（2D）和拓撲材料等方面的進展等。
報告認為，材料科學和技術對全球環(huán)境質量和可持續(xù)發(fā)展也有巨大的影響。其中一個十分重要且活躍的領域是新型化學催化材料的設計，如等離子體輔助的熱電子催化；材料可持續(xù)制造，包括原材料選擇、節(jié)能制造和可回收等。報告認為，加大對材料研究基礎設施支持力度，對材料科學健康發(fā)展至關重要。
1.進展簡述
近十年來，材料研究的方方面面都取得了非凡的進展，幾乎涵蓋了所有的材料類型。例如，在上次系列報告中，對石墨烯的關注并不是很高，但這一領域目前已成為了比其他二維材料更激動人心的領域。石墨烯激發(fā)了人們對新物理現(xiàn)象的研究，在太陽能電池、晶體管、相機傳感器、數(shù)字屏幕和半導體等許多電子應用領域具有潛在的應用價值。另一個活躍的領域是增材制造的發(fā)展，雖然這一領域只有幾十年的歷史，但目前已成為一個重要工藝，既可用于大規(guī)模生產，也可用于一次性按需制造。其他重要進展包括經(jīng)濟實惠的發(fā)光二極管（LED）照明、平板顯示器和改進的電池等。
材料科學一些重要研究進展是純發(fā)現(xiàn)驅動科學的產物（如拓撲絕緣體），而另一些則是通過協(xié)調一致的技術努力而產生的（如Gorilla Glass,[注]大猩猩玻璃是由前身是美國康寧公司在1960年代生產的，具防彈功能的特種玻璃，常被用于直升機，在正常情況下，非故意損壞不會造成劃痕，是一種環(huán)保型鋁硅鋼化玻璃，現(xiàn)在主要應用于防刮劃性能要求高的高端智能手機屏幕)，還有一些則是這兩者的某種結合（如增材制造和超分子材料vitrimers）。美國政府推出的材料基因組計劃（MGI）和國家納米技術計劃（NNI）在促進美國材料研究方面發(fā)揮了重要作用。
在過去十年中，金屬、塊體金屬玻璃、高性能合金、陶瓷和玻璃等領域取得了令人振奮的進展。由于復合材料和混合材料能夠承受惡劣環(huán)境，如體相材料、復合材料和涂層材料，以及它們在設備中的功能性，因此它們已經(jīng)得到了高價值的應用。涂層技術的進步提高了可靠性，并將其用于熱保護和環(huán)境保護系統(tǒng)。在越來越多的應用中，分層材料系統(tǒng)正在取代先進的單片材料，在這些應用中，每一層的獨特性能和功能顯著提高了性能和壽命。在聚合物、各種生物材料以及軟物質（如膠體和液晶）方面都取得了巨大的進展。
超導材料一直是一個富礦，而量子材料領域則更為普遍，正在迅速發(fā)展，包括量子自旋液體、強相關薄膜和異質結構、新型磁體、石墨烯和其他超薄材料，以及拓撲材料等。
2.未來研究機遇
材料科學在上述這些最新進展的基礎上，預計未來十年還有其他許多研究機會，包括各種材料類別，預計擁有許多有價值的應用前景。例如，在金屬和合金材料方面，未來將繼續(xù)通過日益耦合的實驗和計算建模，隨材料條件和行為的變化進行實時表征。新的機遇還將來自設計、組成、加工和制造方法等方面的創(chuàng)新，這些創(chuàng)新利用了材料制造方面的先進能力。高熵合金（以可比濃度存在五種或五種以上元素）在未來十年將有著相當大的發(fā)展前景。這種材料提供了克服傳統(tǒng)合金所面臨的困境和障礙的可能性，例如強度和導電性的權衡。此外，在納米金屬合金等非傳統(tǒng)領域的金屬方面，預計也會取得進展。納米結構金屬合金的形態(tài)和復雜結構可以在納米尺度上得到控制（例如納米孿晶金屬，nanotwinned metals）。
對金屬、合金和陶瓷的研究繼續(xù)提供對原子尺度過程的基本理解，原子尺度過程控制著許多種類材料的合成微結構-性能關系。有了這種理解和最先進的合成、表征和計算工具，新型合金和具有特殊性能的微/納米結構正在被實現(xiàn)。傳統(tǒng)的材料研究領域可以有驚人的新進展，例如，在多組分，高熵合金和無機玻璃。量子材料科學與工程，包括超導體、半導體、磁體以及二維和拓撲材料，代表了一個充滿活力的基礎研究領域。對材料科學的新理解和進展有助于在計算、數(shù)據(jù)存儲、通信、傳感和其他新興技術領域實現(xiàn)變革性的未來應用。這包括超越摩爾定律的新計算方向，如量子計算和神經(jīng)形態(tài)計算，對于傳統(tǒng)處理器的低能量替代品至關重要。國家科學基金會（NSF）的兩個“10個大創(chuàng)意”特別支持量子材料的支持（參見《量子躍遷：引領下一次量子革命和中尺度研究基礎設施》）。
半導體和其他電子材料的大多數(shù)研究將繼續(xù)受到信息和計算技術行業(yè)的推動，朝著越來越復雜的單片集成器件、功能更高的微處理器和充分利用三維（3D）布局的芯片方向發(fā)展。包括新器件材料，這些新器件結合了內存和邏輯功能，以及其他具有節(jié)能結構的器件，能夠執(zhí)行機器學習和其他算法，這些算法與傳統(tǒng)的計算機邏輯和結構有很大的不同。能實現(xiàn)更高效的電力管理的材料研究也將繼續(xù)成為一個主要焦點。二維材料，包括石墨烯，為探索表面電子態(tài)的性質提供了機會。通過對這類材料進行分層，層之間的弱相互作用和設計缺陷的存在，為發(fā)現(xiàn)提供了大量機遇，并為電子和光學應用提供了潛在的機會。拓撲材料的性質由其激發(fā)光譜的拓撲性質決定，將繼續(xù)為探索提供廣泛的領域，具有許多應用的潛力。在陶瓷領域，主要將圍繞制造的節(jié)能工藝，這將使更致密和超高溫陶瓷的生產成為可能。表征和加工能力的提高，為玻璃研究開辟了新的機遇，可能導致它們作為固體電解質用于儲能和非線性光學器件。復合材料將越來越適合更先進的應用，遠遠超出傳統(tǒng)的結構作用。
其他有希望的領域，包括將生物材料作為成分，并開發(fā)具有隨時間以期望和可預測的方式變化的特性的材料。在混合材料領域，鈣鈦礦將繼續(xù)引起人們的極大興趣，這主要是因為它們對于單結太陽能電池的潛在優(yōu)勢?；旌霞{米復合材料由于其組成粒子具有良好的光學性能和高的載流子遷移率，在光電子學和光伏轉換技術中具有廣闊的應用前景。通過設計一種輕量化材料的復合電池，為航空航天、運輸和能源生產等領域的一系列技術提供了機會。多功能材料，例如既提供結構又提供熱管理、增強通信或傳感能力的材料，是此類材料中越來越重要的部分。超材料是另一個重要的類別，其結構提供特定的功能響應，它們在許多不同的技術中提供了巨大的機會，如節(jié)能光源、傳感應用、熱工程和微波技術。
報告建議美國聯(lián)邦機構（NSF、DOE、DOD）應維持強有力的材料項目，以支持并在某些情況下擴大在金屬、合金和陶瓷等長期存在領域的基礎研究。建議NSF、DOE、NIST、DOD和IARPA等部門密切合作，啟動重大投資加速量子材料科學和工程的研發(fā)，這對未來的經(jīng)濟和國土安全至關重要。在能源部科學辦公室和國家核安全局實驗室以及國防部研究實驗室（ARL、NRL、AFRL）可能的領導下，與先進計算有利害關系的美國機構應承諾在未來十年內支持研究新計算范式的基礎材料科學的新舉措。為了保持國際競爭力，美國材料研究界必須繼續(xù)在這些領域發(fā)展壯大。
3.最終應用的需求
純科學往往得益于接近應用研究。材料研究中的許多現(xiàn)實挑戰(zhàn)和機遇發(fā)生在傳統(tǒng)學科間的交叉點上，以及基礎研究和應用研究的界面上。不同學科之間以及學術界、工業(yè)界和政府實驗室之間的協(xié)作和信息傳遞，將會極大地增加了成功應對這些挑戰(zhàn)，并抓住發(fā)展機遇的可能性?！秷蟾妗方ㄗh，由科技政策辦公室（OSTP）領導的政府機構應高度重視，通過對跨學科研究的支持，以及在大學、私營企業(yè)之間建立更自由流動的互動模式，促進材料研究利益相關者之間和國家實驗室的溝通（包括初創(chuàng)企業(yè)）。建議白宮科技政策辦公室（OSTP）應在資助政策的制定方面發(fā)揮領導作用，使不同的資助機構能夠在需要時合作，促進大學和行業(yè)研究人員之間的合作。
廣泛的材料研究領域與工業(yè)部門的需求和利益之間存在著根本聯(lián)系。僅以國家安全為例，材料研究已經(jīng)產生了新的材料，這些新材料能夠提供更輕的裝甲，為戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)人員提供更大的能量的電池，以及能夠更好地承受極端條件的材料，例如用于高超音速飛行和推進系統(tǒng)的超高溫材料，在2000°C以上運行。在能源相關行業(yè)，對能夠在各種極端操作環(huán)境下工作的高性能材料的需求日益增長。兩個高要求應用的例子是輕量級，高強度，高韌性材料用于航空和地面運輸應用，結構材料和燃料系統(tǒng)用于先進的裂變或聚變能系統(tǒng)，能夠抵抗高輻射劑量。一般來說，能源挑戰(zhàn)涉及生產、分配、轉導和利用。能源利用可以通過開發(fā)更好的催化材料等材料來提高。諸如改進的光伏和先進的電池等材料從根本上起到了作用。能源方面的另一個廣泛的需求是，移動、儲存、泵送和管理熱量所需的材料。人類用于電力、加熱和冷卻以及運輸?shù)?/span>90%以上的能源來自熱過程。因此，即使是在控制和轉換熱能的能力上的小效率改進，也會對世界能源使用產生重大影響。
材料研究界普遍希望大學、私營企業(yè)和國家實驗室之間加強互動，簡化合作和信息流動，加強基礎科學，促進實際進展和技術挑戰(zhàn)。《報告》建議由美國國家科學基金會（NSF）多部門合作資助并設立一種為期十年的新型研究中心，吸引學生、教師和工業(yè)科學家和工程師并肩工作。這種發(fā)現(xiàn)到轉化材料研究中心（DTMRC），將創(chuàng)造一種獨特的學習和研究環(huán)境。DTMRC的概念將補充NSF現(xiàn)有的促進基礎研究的“材料研究科學和工程中心”及其促進技術發(fā)展的“工程研究中心”，使兩者以前所未有的方式實現(xiàn)功能協(xié)同。
此外，材料科學和技術對地球環(huán)境質量和可持續(xù)發(fā)展有著巨大的影響，這是大學、國家實驗室和工業(yè)合作的另一個重要機會。迫切需要從多個方向開展研究，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。科學基金會、能源部和其他機構應制定為可持續(xù)性目標的材料研究提供資金的創(chuàng)新方法。
4.基礎設施需求
材料研究的核心是評估和表征材料、加工和合成材料以及建模和模擬其性能的能力。儀器和設施網(wǎng)絡是支持整個材料研究企業(yè)的基礎設施，它使研究人員能夠從單個研究人員，通過中型儀器設施和科學研究中心，到國家設施，進行這些研究。對研究基礎設施的巨大需求存在于材料研究的所有子領域，在過去的10年中，獲取和維護最先進的研究基礎設施的成本不斷上升，加上缺乏足夠的儀器設備融資渠道，使得美國整個材料科學與工程界面臨著嚴峻的形勢。各級基礎設施，從用于材料表征、合成和加工的中等規(guī)模儀器，采購成本為400萬美元到1億美元，從大學和國家實驗室到大型研究中心，如同步加速器光源、自由電子激光器、中子散射源、高場磁體和超導體對美國材料科學界的健康發(fā)展至關重要。尤其是中規(guī)?；A設施，近年來被嚴重忽視，維護成本和專業(yè)技術人員大幅增加。
工欲善其事，必先利其器，在過去十年中，材料研究的許多重要進展得益于基礎設施建設和研究工具的改進。材料研究人員在表征、合成和加工以及計算能力方面取得了重大進展，從而使以前無法實現(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（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增加了時間維度）等工具，表征技術得到了提高。精準合成有望以革命性的方式改變材料科學。許多方法和工具正在實現(xiàn)精準合成的新功能?，F(xiàn)在，最先進的技術使研究人員能夠以逼真和精確的方式控制原子、分子和缺陷的位置和排列，后者非常重要，因為它們經(jīng)?？刂撇牧系奶匦?。在計算能力方面，多長度尺度上對材料建模的顯著改進，使得（例如）能夠以高保真度計算材料特性。這些計算得出的結果被用來預測許多材料類型的結構-性能關系，發(fā)現(xiàn)新的結構，并加強對實驗數(shù)據(jù)的解釋。除了基于物理的模型外，數(shù)據(jù)驅動的機器學習還被用來探索材料的組成空間，識別新的結構，發(fā)現(xiàn)量子相，以及識別相和相變。
另一個主要的推動進展是通過對材料性能的計算設計、納米到微米控制的制造工藝以及同樣精細分辨率的實驗表征方法的融合。這些能力的集成使得通過適當規(guī)模的建筑控制創(chuàng)造出具有根本優(yōu)越性能的新型體相材料成為可能。在過去的幾個世紀里，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，材料界現(xiàn)在正在開發(fā)材料建筑，以將材料設計空間擴展到多個維度，獨立地處理當前耦合的材料特性，以及開發(fā)出比固體物體具有更優(yōu)越性能的材料。美國一些主要材料設施產生的大量數(shù)據(jù)，使得人們對將這些實驗與建模和仿真能力相結合產生了濃厚的興趣。一些機構已經(jīng)開發(fā)出先進的計算工具，在功能材料的預測建模以及跨多個長度尺度的一致理解材料方面發(fā)揮著重要作用。
在大多數(shù)情況下，資助大多數(shù)大學研究的聯(lián)邦機構、私人基金會和行業(yè)不為開展這項工作所需的儀器提供資金。NSF是主要的例外，通過其主要研究儀器（MRI）項目贊助研究儀器。但該項目規(guī)模不夠大，無法滿足材料研究和工程的當前需求。國防部（DoD）的國防大學研究儀器計劃（Durip）原則上可以提供幫助，但其典型撥款水平對于材料科學和工程中使用的大部分儀器來說太低了。能源部（DOE）運營著許多材料研究領域不可或缺的令人印象深刻的散射設施，正如美國國家標準與技術研究所（NIST）中子研究中心和美國國家航空航天局（NASA）在國際空間站（ISS）的支持部分關鍵材料研究。然而，這些國家設施雖然對我們在材料研究方面的持續(xù)進展至關重要，但卻不能滿足大學研究基礎設施的需求，因為大學是國家最前沿的材料研究的地方。在許多情況下，在校園內配備儀器是至關重要的，例如，一個涉及新材料合成的研究項目通常需要在合成、結構和性能測量之間建立一個恒定且即時的反饋回路，該回路可能在短時間內經(jīng)歷多個周期。依靠遠程設施進行這項研究是不可行的。大多數(shù)材料研究都是這樣。
由于缺乏資金選擇，支持研究儀器的負擔主要轉移到了大學。典型的結果是，大學支持新的研究儀器，作為吸引年輕實驗家的一攬子計劃的一部分。但這種模式的后果是缺乏資金來維持和升級儀器。這一模式還導致年輕人就業(yè)壓力下降?！秷蟾妗方ㄗh，所有對材料研究感興趣的美國政府機構都應實施國家戰(zhàn)略，以確保大學研究小組和國家實驗室能夠在當?shù)亻_發(fā)并持續(xù)支持使用先進的中型儀器和實驗室基礎設施材料研究。該基礎設施包括材料生長和合成設施、氦液化器和回收系統(tǒng)、無制冷劑冷卻系統(tǒng)和先進的測量儀器。各機構還應繼續(xù)支持大型設施，如橡樹嶺國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室、阿貢國家實驗室、SLAC國家加速器實驗室、國家同步輻射光源II（布魯克海文國家實驗室）、國家標準技術研究所，并且參與并投資于現(xiàn)有設施升級和更換的長期規(guī)劃。
三維（3D）表征、計算材料科學以及先進制造和加工技術的進步使材料研究領域的數(shù)字化程度不斷提高，在某些情況下，大大加快和壓縮了從發(fā)現(xiàn)到包含在新產品中的時間?！秷蟾妗方ㄗh，聯(lián)邦機構（包括NSF和DOE）應在2020年前擴大對自動化材料制造的投資，其任務應與增材制造和其他數(shù)字控制制造模式的發(fā)展保持一致。增加的投資應該跨越支持自動化材料合成和制造的多個學科。從最基礎的研究到產品實現(xiàn)，包括通過計算技術的進步實現(xiàn)的實驗和建模能力，以實現(xiàn)到2030年美國在該領域處于領先地位的目標。
材料基因組計劃和早期的集成計算材料工程方法，認識到了集成和協(xié)調計算方法、信息學、材料表征以及合成和加工方法的潛力，以加速在產品中發(fā)現(xiàn)和部署設計師材料。將這些方法轉化為特定的行業(yè)已經(jīng)產生了許多成功的應用，這些應用通過相應的成本節(jié)約縮短了開發(fā)時間?！秷蟾妗方ㄗh，美國政府應與國家科學基金會、國防部和能源部協(xié)調，支持開發(fā)新的計算和先進的數(shù)據(jù)分析方法的探索，發(fā)明新的實驗工具來探測材料的特性，并設計新的合成和處理方法。應通過明智的機構投資，從今天的水平加快這一努力，并在未來十年內繼續(xù)努力，以保持美國的競爭力。
5.材料研究的國家競爭力
材料研究對一個國家的經(jīng)濟福祉和安全的重要性現(xiàn)在已經(jīng)得到了肯定，世界各國都在尋求國家項目來支持材料研究，并促進材料研究向市場的過渡。發(fā)達國家和發(fā)展中國家在包括智能制造和材料科學在內的現(xiàn)代經(jīng)濟驅動力領導權方面的激烈競爭將在未來十年增長。許多國家的計劃比美國的計劃更注重經(jīng)濟發(fā)展，更直接地與經(jīng)濟發(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生產總值（GDP）的比例更大。《報告》建議，美國政府應在所有支持材料研究的機構的投入下，從2020年開始采取協(xié)調措施，全面評估全球競爭加劇對其在材料科學和先進和智能制造領域領導地位的威脅。評估計劃應在永久性基礎上制定，并應在2022年前確定一項應對這種威脅的戰(zhàn)略。
總之，材料研究是經(jīng)濟增長、國家競爭力、財富與貿易、健康與福利以及國防的重要基礎。到目前為止，材料研究對新興技術、國家需求和科學的影響非常重要，隨著數(shù)字和信息時代的發(fā)展，面臨當前和未來的全球挑戰(zhàn)，預計這一影響將更大。世界上許多較大國家和經(jīng)濟體已經(jīng)認識到這種關系。最近的趨勢表明，許多國家已制定并闡述了國家投資戰(zhàn)略，以確保在材料研究方面取得強勁進展，提高全球經(jīng)濟中的國家競爭力。
參考文獻：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.
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