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美国国家科学院、工程院和医学科学院发布了针对材料研究的第三次十年调查——《材料研究前沿：十年调查》报告。该报告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。《材料研究前沿：十年调查》报告发布了未来10年材料研究的机遇。
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：
①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。
②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。
复合材料和混合材料研究领域的新机遇包括：
①在聚合物树脂基材料和高性能纤维增强材料的成分组成上进行创新，使其具有更强的定制性和多功能性；
②开发可以快速评估和准确预测复合材料的复杂行为的分析和预测工具、多尺度建模工具套件；
③加强多维性能增强及梯度/形态关系领域的制造科学研究。钙钛矿材料未来的潜在研究方向是基于甲基铵的钙钛矿太阳能电池的稳定性以及有毒元素的替代研究。
聚合物/纳米颗粒混合材料和纳米复合材料未来的研究重点是研究外部场（电、磁）对活性纳米粒子组装过程的影响。研究具有分布式驱动性能的软质和硬质复合材料，这是制备多材料机器人的理想材料。
聚合物、生物材料和其他软物质
聚合物将在环境、能源和自然资源应用、通信和信息、健康等领域发挥重要作用。
（1）在环境领域，聚合物应用的目标是以有效和可持续的方式使用原料和聚合物产品，研究方向包括：
①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；
②将自修复材料市场化以提高其寿命、耐用性和回收利用；
③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。
（2）在能源和自然资源应用领域，研究方向包括：
①提高能量存储系统的安全性和效率，包括固体电解质、全有机电池和用于液流电池的氧化还原聚合物；
②开发用于能量转换的聚合物，包括有机光伏和LED、薄膜晶体管、热电材料、导致柔性和可穿戴系统；
③开发用于能量-水联结的聚合物，如膜和抗污染材料；
④提高能源效率及能运输清洁水的智能建筑材料；
⑤实施和整合绿色化学和工程原理、生命周期/可持续性思想，设计开发商品和先进聚合物技术。
（3）在通信和信息领域，研究方向包括：
①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；
②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；
③数据库的开发和使用。
（4）在健康领域，研究方向包括：
①提升基于聚合物的纳米材料的设计，扩展至免疫工程等新应用；
②开发能进一步控制微纳结构以及提高设备和植入物的定制、一次成型和现场制造可能性的增材制造技术；
③发展基于聚合物的组织工程以减少动物模型在药物测试和材料测试中的使用。
（5）在基础聚合物科学领域，研究方向包括：
①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；
②建造和集成能力更强、更易于获取使用权的先进仪器；
③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；
④开发可获得、可扩展、同时具有更绿色生命周期的聚合物。
生物材料的进一步发展需要先进的合成方法、新颖的表征工具及先进的计算能力。未来的研究方向包括研究软物质的自主行为以及掌握具有与肌肉骨骼组织相当性质和功能的合成材料的制造方法。
未来无机生物材料的重要研究方向包含生物金属的金属材料和陶瓷生物材料、用无机粉末的增材制造技术、生物分子材料性能的提升及糖化学。
软生物材料的重要方向包括超分子组件中的结构控制、水凝胶材料中水的组织和动力学、纳米结构内多个生物信号的精确空间定位方法。
碳纤维信息网
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