美国科学院材料研究调查，下一个十年的机遇在哪

年初，美国科学院发布了关于材料研究的第三次十年调查——《材料研究前沿：十年调查》报告。此次调查主要评估了过去十年中材料研究领域的进展和成就，确定了2020~2030年材料研究的机遇、挑战和新方向，并提出了应对这些挑战的建议。报告指出，发达国家和发展中国家在智能制造和材料科学等领域的竞争将在未来十年内加剧。随着美国在数字和信息时代的发展以及面临的全球挑战，材料研究对美国的新兴技术、国家需求和科学的影响将更加重要。中美之间的大国较量不仅体现在贸易上，科学研究更是不可或缺，核心技术才是站稳脚跟最有力的支柱。中国的学术界成长速度迅猛毋庸置疑，但不可否认的是，在很多方面确实还与滚球体育 强国有一些差距。大国风采就是善于承认并包容和学习他人的优势，此次发布的十年调查确实值得借鉴和参考。报告中阐述了未来十年9种材料领域需要攻克和改善的地方，有传统的金属材料，陶瓷、玻璃、复合材料和混合材料，半导体及其它电子材料，量子材料，聚合物、生物材料和其他软物质，结构化材料和超材料，能源材料、催化材料和极端环境材料，水、可持续性和洁净技术中的材料研究，移动、储存、泵送和管理热能的材料。2020年即将开启新的一页，希望报告会对材料人有一些参考，笔者还整理了这些材料的近期亮点研究，以飨读者。

1、金属

金属材料虽然大都是传统研究方向，但还有很多问题没有攻克。迄今尚无法实现的在相同长度和时间尺度上进行耦合实验和计算模拟研究；原位/操作实验表征数据的实时分析；加工方法和材料组分创新，以实现下一代高性能轻质合金、超高强度钢和耐火合金，以及多功能高级建筑材料系统的设计和制造；理解多相高熵合金的固溶效应，并通过开发可靠的实验和计算热力学数据库创建在常规合金中不可能出现的微结构；通过实验和建模进一步理解纳米孪晶材料中的变形机制、分解应力的作用、微观结构演变的过程和机制。

金属材料近期亮点研究：

Science：通过调控锥面滑移使金属Mg获得高塑性

由于镁是最轻的结构金属，使用金属镁可以有效的减轻合金重量而降低能源消耗，所以镁合金其在汽车、飞机和航空航天等领域被广泛的研究和使用。然而，镁在室温下具有有限的延展性，使其在型材和构件的加工和成形方面变得困难和昂贵。因此，低的延展性成为阻碍镁制品广泛应用的主要障碍之一。西安交通大学的单智伟报道了他们通过原位透射电镜（TEM）力学测试证明，不同性质的⟨c+a⟩位错可以通过在锥面上滑移来获得更大的塑性。并且研究发现亚微米尺寸的镁样品比散装样品具有更高的塑性。此外，小晶体尺寸通常会带来高应力，从而激活金属镁中更多的⟨c+a⟩位错滑移以适应塑性，进而获得高强度和良好的塑性。

文章信息：

Large plasticity in magnesium mediated by pyramidal dislocations (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aaw2843)

2、陶瓷、玻璃、复合材料和混合材料

陶瓷和玻璃研究领域的新机遇包括：将缺陷作为材料设计的新维度，理解晶界相演化与晶相演变，确定制造陶瓷的节能工艺，生产更致密和超高温的陶瓷，探索冷烧结技术产生的过渡液相致密化的基本机制。玻璃将作为储能和非线性光学器件的固体电解质，广泛应用于储能和量子通信，研究的热点材料包括绝缘体结构上硅、III-V材料、具有飞秒激光写入特征的硅晶片、非线性光学材料。

近期亮点研究：

Science:具备超级隔热性能的陶瓷气凝胶

哈尔滨工业大学的李惠研究员和加州大学洛杉矶分校的黄昱、段镶锋等利用三维石墨烯气凝胶模板设计合成了同时具有强大的机械和热学稳定性的氮化硼（hBNAGs）以及碳化硅（βSiCAGs）陶瓷气凝胶材料。这类陶瓷材料由纳米层状双窗格壁组成，整体呈现出超低密度的双曲线构造形态。而这一特殊结构赋予材料负泊松比（-0.25）以及负线性热膨胀系数（-1.8x10^-6/℃），致使材料维持热稳定性的同时依然能表现出优异的可变形性和断裂韧性。在剧烈的热休克（大约275℃/s）以及长期高温暴露过程中，这类材料表现出优异的热稳定性以及几乎为零的强度损失。同时此种气凝胶还表现出超低的热导率（在真空中约为2.4 mW/m·K，在空气中约为20 mW/m·K），因此研究人员认为基于上述新型陶瓷气凝胶可以设计理想的超级隔热系统并在航天器等领域有所应用。

文章链接：

Double-negative-index ceramic aerogels for thermal superinsulation（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav7304）

3、半导体及其它电子材料

半导体及其它电子材料未来的工作重点将转向日益复杂的单片集成器件、功能更强大的微处理器以及充分利用三维布局的芯片，这需要研发新材料，以用于结合存储器和逻辑功能的新设备、能执行机器学习的低能耗架构的设备、能执行与传统计算机逻辑和架构截然不同的算法的设备。器件小型化和超越小型化方面的研究重点是提升极紫外（EUV）光刻的制造能力和薄膜压电材料性能。金属微机电系统合金的沉积技术和成形技术的发展有望实现物联网。下一代信息和能源系统将需要能提供更高功率密度、更高效率和更小占位面积的新型电子材料和器件。集成和封装的变化以及场效应晶体管、自旋电子器件和光子器件等新器件的出现，需要研发新材料来解决互连中出现的新限制。

近期亮点研究：

Science：稳固结构柔弱的钙钛矿半导体异质结

上海交通大学的杨旭东教授和韩礼元教授为解决钙钛矿稳定性问题，设计制备了具有稳固结构的钙钛矿异质结结构。该结构主要包含一层表面富铅钙钛矿半导体薄膜，并在薄膜表面沉积氯化氧化石墨烯薄膜，通过形成氯-铅键、氧-铅键，将两层薄膜结合在一起。光学、电学等表征实验结果表明，该异质结结构稳定，可以有效减少钙钛矿半导体薄膜的分解和缺陷的产生，同时也减少了逃逸离子对电荷传输层功能性的破坏。具有该异质结结构的钙钛矿太阳能电池，在一个标准太阳光光强和60 oC条件下连续工作1000小时的后，仍然保有初始效率的90%，而且电池的稳态输出效率通过了国际公认电池评测机构-日本产业技术综合研究所（AIST）光伏技术研究中心的认证。

文章信息：

Stabilizing heterostructures of soft perovskite semiconductors（Science,2019,DOI: 10.1126/science.aax8018）

4、量子材料

量子材料包括超导体、磁性材料、二维材料和拓扑材料等，有望实现变革性的未来应用，涵盖计算、数据存储、通信、传感和其他新兴技术领域。超导体方面的研究前沿是发现新材料、制备单晶、了解材料的分层结构及功能组件，研究重点包括研发可以预测新材料结构及性能的理论/计算/实验集成的工具；发现和理解新型超导材料，推动相干性和拓扑保护研究发展，进一步理解与更广泛量子信息科学相关的物质。磁性材料可能会出现“磁振子玻色爱因斯坦凝聚”等新集体自旋模式，非铁金属制备的反铁磁体将成为未来自旋动力学领域的重点研究方向。二维材料的重点研究方向包括：高质量二维材料及其多层异质结构的可控增长、异质结构和集成装置的界面（粘附和摩擦）力学、过渡金属二硫化物的低温合成等。在拓扑材料方面，机械超材料可能是新的重要研究方向，其具有负泊松比、负压缩性和声子带隙等新的机械性能。

近期亮点研究：

Nature:为拓扑电子材料编目

中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心的翁红明副研究员以及方辰研究员等人介绍了一种能够高效分析非磁性材料中非平凡能带拓扑学（Nontrivial band algorithm）的自动化算法。这一算法是通过研究占据态对称性与拓扑不变量之间的关系而建立的。基于该算法，研究人员在39519中材料中发现有8056种材料是拓扑非平凡的，不仅如此，通过交互式网页界面，这些被发现的材料均可被查询研究。这一工作大大拓宽了人们对于非平凡拓扑学的认识。

文章信息：

Catalogue of topological electronic materials（Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-0944-6）

5、聚合物、生物材料和其他软物质

聚合物应用的目标包括：研究被忽视的原材料（如农业、工业或人类活动产生的废物，其他含碳或硅的物质）使其形成有用的聚合物材料；将自修复材料市场化以提高其寿命、耐用性和回收利用；加强分离技术或其他物理过程的研发以实现混合塑料回收。在聚合物和有机半导体中，提高器件中电荷传输的电荷载流子迁移率；在光电器件中，设计和开发考虑了结构/性质/工艺之间关系的半导体有机和聚合物材料；数据库的开发和使用。在多个尺度范围内研究聚合物的合成、结构控制、性质表征、动态响应等；建造和集成能力更强、更易于获取使用权的先进仪器；通过联合创新计划来打破实验至上和理论至上两类研究队伍之间的认知障碍；开发可获得、可扩展、同时具有更绿色生命周期的聚合物。

近期亮点研究：

Science聚合物刷：多功能胶束刷实现表面结晶驱动生长

上海交通大学邱惠斌教授团队报道了一个表面功能化的平台，该平台在固定的、表面约束的微晶种子的末端通过可结晶嵌段共聚物的种子生长在硅片上制造圆柱形胶束刷。胶束刷的密度、长度和冠状化学可以精确调整，纳米颗粒的生长后修饰可以应用于催化和抗菌表面改性。这种胶束刷也可以生长在超薄的二维材料上，如氧化石墨烯纳米薄片，并进一步组装成膜，用于水包油型乳液和金纳米颗粒的分离。

文章信息：

Tailored multifunctional micellar brushes via crystallization-driven growth from a surface（Science，2019，DOI:10.1126/science.aax9075）

6、结构化材料和超材料

结构化材料具有量身定制的材料特性和响应，使用结构化材料进行轻量化，可以提高能效、有效负载能力和生命周期性能以及生活质量。未来的研究方向包括开发用于解耦和独立优化特性的稳健方法，创建结构化多材料系统等。

近期亮点研究：

Advanced Science: 设计三维数字弹性超材料

北京理工大学张凯副教授团队与北京大学段慧玲教授团队基于局域共振理论，提出了一种可调的三维数字弹性超材料。此数字超材料包含3D打印的八面体框架与8个内置的电磁铁。其中，八面体框架内部包含了两套相互独立且正交的辅助梁，通过与电磁铁结合，形成了两种独立的局域共振系统。此两种局域共振系统与面内偏振波和出面偏振波相互作用，可产生解耦的面内带隙与出面带隙。通过控制电磁铁中电流的通断，电磁铁可以选择性地吸附在不同细梁上，使得每个单胞可以表现出3种对称模式。电磁铁位置的变化，改变了局域共振系统的质量分布，进而改变了面内带隙与出面带隙的起始频率与带宽。因此，三种模式对相同的偏振弹性波可呈现出不同的选择性滤现象。

文章信息：

Designing 3D Digital Metamaterial for Elastic Waves: From Elastic Wave Polarizer to Vibration Control（Sci.Adv,2019,DOI: 10.1002/advs.201900401）

7、能源材料、催化材料和极端环境材料

前景及机遇包括：持续研发非晶硅、有机光伏、钙钛矿材料等太阳能转换为电能的材料，开发新的发光材料，研发低功耗电子器件，开发用于电阻切换的新材料以促进神经形态计算发展。催化材料的研究方向包括：改良催化材料的理论预测，高催化性能无机核/壳纳米颗粒的合成，高效催化剂适合工业生产及应用的可扩展合成方案，催化反应中助催化剂在活性位场上的选择性沉积，二维材料催化剂。

近期亮点研究：

Nature: 新型合金电催化剂

北京大学的郭少军团队报道了可在碱性电解质中进行高效ORR和OER的电催化剂—PdMo bimetallene。据研究介绍，PdMo bimetallene是一种具有高曲率、亚纳米级别厚度的铂-钼合金。研究采用一锅法，以不存在有机保护剂的情况下合成了铂-钼合金超薄纳米片。这种薄层结构使得Bimetallene具有巨大的电化学活性表面，其表面积可达到138.7m^-2g（铂），同时原子利用率也得到显著提高，在碱性电解质ORR反应中表现出优异的活性。经检测发现，其ORR活性可达到商业催化剂Pt/C的78倍，是商业化催化剂Pd/C的327倍，此外经过30000次的循环过程，其活性只有很小的衰减。

文章信息：

PdMo bimetallene for oxygen reduction catalysis（Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1603-7）

8、水、可持续性和洁净技术中的材料研究

主要机遇：基于溶剂、吸附剂和膜材料的碳捕集，金属有机框架等新型碳捕集材料，电化学捕集，通过地质材料进行碳封存。洁净水的材料问题涉及膜、吸附剂、催化剂和地下地质构造中的界面材料科学现象，需要开发新材料、新表征方法和新界面化学品。可再生能源储存方面的材料研究基于：研发多价离子导体和新的电池材料以提高锂离子电池能量密度，研发高能量密度储氢的新材料以实现水分解/燃料电池能量系统。

近期亮点研究：

Science：束状Pt-Ni合金纳米笼继续提升高效ORR性能

华中滚球体育 大学夏宝玉教授和南洋理工大学楼雄文教授团队等报道了一维束状的铂-镍（Pt-Ni）合金纳米笼，具有用于氧化还原反应的Pt皮结构，具有高质量活性（3.52 A/mgPt）和比活性（5.16 mA/cm²） ，比市售Pt/C催化剂高17到14倍。在50,000次循环后，该催化剂表现出高稳定性，而活性下降可忽略不计。实验结果和理论计算均表明，由应变和配体效应引起的强键铂-氧（Pt-O）位点较少。此外，通过该催化剂组装的燃料电池在0.6 V下提供为1.5 A/cm²的电流密度，并可稳定运行至少180小时。

文章信息：

Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages for efficient oxygen reduction in practical fuel cells（Science，2019，DOI:10.1126/science.aaw7493）

9、移动、储存、泵送和管理热能的材料

热管理已成为从电池到高超音速飞机等诸多技术中最重要的方面之一，因为在高需求的设备和应用中，效率的微小提高会对能源的使用产生重大影响，需要加强能存储、转换、泵送和管理热能材料的开发。研究方向包括：开发更稳定和耐腐蚀的材料，或开发具有较大熔化热变化的新型相变材料，以提高太阳能热存储效率；开发新的热电材料，聚焦能量色散关系明显偏离传统谱带的固体材料；通过外力改变热特性或研究相变，开发新的有源热材料。

近期亮点研究：

Science：廉价环保的高性能热电材料

北航赵立东教授课题组创新性的将SnSe 转向更廉价、无毒并含量丰富的 SnS。并且通过调变电子能带结构实现了SnS热电性能的调控与提升。通过温度梯度法合成出 SnS_1-xSex 晶体结构，并实现三个分离电子能带之间相互作用的控制。Se 的引入实现电子传输（μ）和有效质量（m*）两大参数的同时优化。300 K 时，PF 值从 30 升至 50 mW cm⁻¹K⁻²; 873 K 时，ZT 最大值和均值分别为 1.6 和 1.25。这种控制策略为优化热电性能提供了一条不同的途径。开发高性能SnS晶体是向低成本、地球资源丰富和环境友好型热电技术迈进的重要一步。

文章信息：

High thermoelectric performance in low-cost SnS_0.91Se_0.09crystals（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aax5123）

本文由Abida供稿。

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