美國科學院材料研究調查，下一個十年的機遇在哪

年初，美國科學院發布了關于材料研究的第三次十年調查——《材料研究前沿：十年調查》報告。此次調查主要評估了過去十年中材料研究領域的進展和成就，確定了2020~2030年材料研究的機遇、挑戰和新方向，并提出了應對這些挑戰的建議。報告指出，發達國家和發展中國家在智能制造和材料科學等領域的競爭將在未來十年內加劇。隨著美國在數字和信息時代的發展以及面臨的全球挑戰，材料研究對美國的新興技術、國家需求和科學的影響將更加重要。中美之間的大國較量不僅體現在貿易上，科學研究更是不可或缺，核心技術才是站穩腳跟最有力的支柱。中國的學術界成長速度迅猛毋庸置疑，但不可否認的是，在很多方面確實還與科技強國有一些差距。大國風采就是善于承認并包容和學習他人的優勢，此次發布的十年調查確實值得借鑒和參考。報告中闡述了未來十年9種材料領域需要攻克和改善的地方，有傳統的金屬材料，陶瓷、玻璃、復合材料和混合材料，半導體及其它電子材料，量子材料，聚合物、生物材料和其他軟物質，結構化材料和超材料，能源材料、催化材料和極端環境材料，水、可持續性和潔凈技術中的材料研究，移動、儲存、泵送和管理熱能的材料。2020年即將開啟新的一頁，希望報告會對材料人有一些參考，筆者還整理了這些材料的近期亮點研究，以饗讀者。

1、金屬

金屬材料雖然大都是傳統研究方向，但還有很多問題沒有攻克。迄今尚無法實現的在相同長度和時間尺度上進行耦合實驗和計算模擬研究；原位/操作實驗表征數據的實時分析；加工方法和材料組分創新，以實現下一代高性能輕質合金、超高強度鋼和耐火合金，以及多功能高級建筑材料系統的設計和制造；理解多相高熵合金的固溶效應，并通過開發可靠的實驗和計算熱力學數據庫創建在常規合金中不可能出現的微結構；通過實驗和建模進一步理解納米孿晶材料中的變形機制、分解應力的作用、微觀結構演變的過程和機制。

金屬材料近期亮點研究：

Science：通過調控錐面滑移使金屬Mg獲得高塑性

由于鎂是最輕的結構金屬，使用金屬鎂可以有效的減輕合金重量而降低能源消耗，所以鎂合金其在汽車、飛機和航空航天等領域被廣泛的研究和使用。然而，鎂在室溫下具有有限的延展性，使其在型材和構件的加工和成形方面變得困難和昂貴。因此，低的延展性成為阻礙鎂制品廣泛應用的主要障礙之一。西安交通大學的單智偉報道了他們通過原位透射電鏡（TEM）力學測試證明，不同性質的?c+a?位錯可以通過在錐面上滑移來獲得更大的塑性。并且研究發現亞微米尺寸的鎂樣品比散裝樣品具有更高的塑性。此外，小晶體尺寸通常會帶來高應力，從而激活金屬鎂中更多的?c+a?位錯滑移以適應塑性，進而獲得高強度和良好的塑性。

文章信息：

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

2、陶瓷、玻璃、復合材料和混合材料

陶瓷和玻璃研究領域的新機遇包括：將缺陷作為材料設計的新維度，理解晶界相演化與晶相演變，確定制造陶瓷的節能工藝，生產更致密和超高溫的陶瓷，探索冷燒結技術產生的過渡液相致密化的基本機制。玻璃將作為儲能和非線性光學器件的固體電解質，廣泛應用于儲能和量子通信，研究的熱點材料包括絕緣體結構上硅、III-V材料、具有飛秒激光寫入特征的硅晶片、非線性光學材料。

近期亮點研究：

Science:具備超級隔熱性能的陶瓷氣凝膠

哈爾濱工業大學的李惠研究員和加州大學洛杉磯分校的黃昱、段鑲鋒等利用三維石墨烯氣凝膠模板設計合成了同時具有強大的機械和熱學穩定性的氮化硼（hBNAGs）以及碳化硅（βSiCAGs）陶瓷氣凝膠材料。這類陶瓷材料由納米層狀雙窗格壁組成，整體呈現出超低密度的雙曲線構造形態。而這一特殊結構賦予材料負泊松比（-0.25）以及負線性熱膨脹系數（-1.8x10^-6/℃），致使材料維持熱穩定性的同時依然能表現出優異的可變形性和斷裂韌性。在劇烈的熱休克（大約275℃/s）以及長期高溫暴露過程中，這類材料表現出優異的熱穩定性以及幾乎為零的強度損失。同時此種氣凝膠還表現出超低的熱導率（在真空中約為2.4 mW/m·K，在空氣中約為20 mW/m·K），因此研究人員認為基于上述新型陶瓷氣凝膠可以設計理想的超級隔熱系統并在航天器等領域有所應用。

文章鏈接：

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

3、半導體及其它電子材料

半導體及其它電子材料未來的工作重點將轉向日益復雜的單片集成器件、功能更強大的微處理器以及充分利用三維布局的芯片，這需要研發新材料，以用于結合存儲器和邏輯功能的新設備、能執行機器學習的低能耗架構的設備、能執行與傳統計算機邏輯和架構截然不同的算法的設備。器件小型化和超越小型化方面的研究重點是提升極紫外（EUV）光刻的制造能力和薄膜壓電材料性能。金屬微機電系統合金的沉積技術和成形技術的發展有望實現物聯網。下一代信息和能源系統將需要能提供更高功率密度、更高效率和更小占位面積的新型電子材料和器件。集成和封裝的變化以及場效應晶體管、自旋電子器件和光子器件等新器件的出現，需要研發新材料來解決互連中出現的新限制。

近期亮點研究：

Science：穩固結構柔弱的鈣鈦礦半導體異質結

上海交通大學的楊旭東教授和韓禮元教授為解決鈣鈦礦穩定性問題，設計制備了具有穩固結構的鈣鈦礦異質結結構。該結構主要包含一層表面富鉛鈣鈦礦半導體薄膜，并在薄膜表面沉積氯化氧化石墨烯薄膜，通過形成氯-鉛鍵、氧-鉛鍵，將兩層薄膜結合在一起。光學、電學等表征實驗結果表明，該異質結結構穩定，可以有效減少鈣鈦礦半導體薄膜的分解和缺陷的產生，同時也減少了逃逸離子對電荷傳輸層功能性的破壞。具有該異質結結構的鈣鈦礦太陽能電池，在一個標準太陽光光強和60?oC條件下連續工作1000小時的后，仍然保有初始效率的90%，而且電池的穩態輸出效率通過了國際公認電池評測機構-日本產業技術綜合研究所（AIST）光伏技術研究中心的認證。

文章信息：

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

4、量子材料

量子材料包括超導體、磁性材料、二維材料和拓撲材料等，有望實現變革性的未來應用，涵蓋計算、數據存儲、通信、傳感和其他新興技術領域。超導體方面的研究前沿是發現新材料、制備單晶、了解材料的分層結構及功能組件，研究重點包括研發可以預測新材料結構及性能的理論/計算/實驗集成的工具；發現和理解新型超導材料，推動相干性和拓撲保護研究發展，進一步理解與更廣泛量子信息科學相關的物質。磁性材料可能會出現“磁振子玻色愛因斯坦凝聚”等新集體自旋模式，非鐵金屬制備的反鐵磁體將成為未來自旋動力學領域的重點研究方向。二維材料的重點研究方向包括：高質量二維材料及其多層異質結構的可控增長、異質結構和集成裝置的界面（粘附和摩擦）力學、過渡金屬二硫化物的低溫合成等。在拓撲材料方面，機械超材料可能是新的重要研究方向，其具有負泊松比、負壓縮性和聲子帶隙等新的機械性能。

近期亮點研究：

Nature:為拓撲電子材料編目

中國科學院物理研究所北京凝聚態物理國家研究中心的翁紅明副研究員以及方辰研究員等人介紹了一種能夠高效分析非磁性材料中非平凡能帶拓撲學（Nontrivial band algorithm）的自動化算法。這一算法是通過研究占據態對稱性與拓撲不變量之間的關系而建立的。基于該算法，研究人員在39519中材料中發現有8056種材料是拓撲非平凡的，不僅如此，通過交互式網頁界面，這些被發現的材料均可被查詢研究。這一工作大大拓寬了人們對于非平凡拓撲學的認識。

文章信息：

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

5、聚合物、生物材料和其他軟物質

聚合物應用的目標包括：研究被忽視的原材料（如農業、工業或人類活動產生的廢物，其他含碳或硅的物質）使其形成有用的聚合物材料；將自修復材料市場化以提高其壽命、耐用性和回收利用；加強分離技術或其他物理過程的研發以實現混合塑料回收。在聚合物和有機半導體中，提高器件中電荷傳輸的電荷載流子遷移率；在光電器件中，設計和開發考慮了結構/性質/工藝之間關系的半導體有機和聚合物材料；數據庫的開發和使用。在多個尺度范圍內研究聚合物的合成、結構控制、性質表征、動態響應等；建造和集成能力更強、更易于獲取使用權的先進儀器；通過聯合創新計劃來打破實驗至上和理論至上兩類研究隊伍之間的認知障礙；開發可獲得、可擴展、同時具有更綠色生命周期的聚合物。

近期亮點研究：

Science聚合物刷：多功能膠束刷實現表面結晶驅動生長

上海交通大學邱惠斌教授團隊報道了一個表面功能化的平臺，該平臺在固定的、表面約束的微晶種子的末端通過可結晶嵌段共聚物的種子生長在硅片上制造圓柱形膠束刷。膠束刷的密度、長度和冠狀化學可以精確調整，納米顆粒的生長后修飾可以應用于催化和抗菌表面改性。這種膠束刷也可以生長在超薄的二維材料上，如氧化石墨烯納米薄片，并進一步組裝成膜，用于水包油型乳液和金納米顆粒的分離。

文章信息：

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

6、結構化材料和超材料

結構化材料具有量身定制的材料特性和響應，使用結構化材料進行輕量化，可以提高能效、有效負載能力和生命周期性能以及生活質量。未來的研究方向包括開發用于解耦和獨立優化特性的穩健方法，創建結構化多材料系統等。

近期亮點研究：

Advanced Science:?設計三維數字彈性超材料

北京理工大學張凱副教授團隊與北京大學段慧玲教授團隊基于局域共振理論，提出了一種可調的三維數字彈性超材料。此數字超材料包含3D打印的八面體框架與8個內置的電磁鐵。其中，八面體框架內部包含了兩套相互獨立且正交的輔助梁，通過與電磁鐵結合，形成了兩種獨立的局域共振系統。此兩種局域共振系統與面內偏振波和出面偏振波相互作用，可產生解耦的面內帶隙與出面帶隙。通過控制電磁鐵中電流的通斷，電磁鐵可以選擇性地吸附在不同細梁上，使得每個單胞可以表現出3種對稱模式。電磁鐵位置的變化，改變了局域共振系統的質量分布，進而改變了面內帶隙與出面帶隙的起始頻率與帶寬。因此，三種模式對相同的偏振彈性波可呈現出不同的選擇性濾現象。

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、催化材料和極端環境材料

前景及機遇包括：持續研發非晶硅、有機光伏、鈣鈦礦材料等太陽能轉換為電能的材料，開發新的發光材料，研發低功耗電子器件，開發用于電阻切換的新材料以促進神經形態計算發展。催化材料的研究方向包括：改良催化材料的理論預測，高催化性能無機核/殼納米顆粒的合成，高效催化劑適合工業生產及應用的可擴展合成方案，催化反應中助催化劑在活性位場上的選擇性沉積，二維材料催化劑。

近期亮點研究：

Nature: 新型合金電催化劑

北京大學的郭少軍團隊報道了可在堿性電解質中進行高效ORR和OER的電催化劑—PdMo bimetallene。據研究介紹，PdMo bimetallene是一種具有高曲率、亞納米級別厚度的鉑-鉬合金。研究采用一鍋法，以不存在有機保護劑的情況下合成了鉑-鉬合金超薄納米片。這種薄層結構使得Bimetallene具有巨大的電化學活性表面，其表面積可達到138.7m^-2?g（鉑），同時原子利用率也得到顯著提高，在堿性電解質ORR反應中表現出優異的活性。經檢測發現，其ORR活性可達到商業催化劑Pt/C的78倍，是商業化催化劑Pd/C的327倍，此外經過30000次的循環過程，其活性只有很小的衰減。

文章信息：

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

8、水、可持續性和潔凈技術中的材料研究

主要機遇：基于溶劑、吸附劑和膜材料的碳捕集，金屬有機框架等新型碳捕集材料，電化學捕集，通過地質材料進行碳封存。潔凈水的材料問題涉及膜、吸附劑、催化劑和地下地質構造中的界面材料科學現象，需要開發新材料、新表征方法和新界面化學品。可再生能源儲存方面的材料研究基于：研發多價離子導體和新的電池材料以提高鋰離子電池能量密度，研發高能量密度儲氫的新材料以實現水分解/燃料電池能量系統。

近期亮點研究：

Science：束狀Pt-Ni合金納米籠繼續提升高效ORR性能

華中科技大學夏寶玉教授和南洋理工大學樓雄文教授團隊等報道了一維束狀的鉑-鎳（Pt-Ni）合金納米籠，具有用于氧化還原反應的Pt皮結構，具有高質量活性（3.52?A/mgPt）和比活性（5.16?mA/cm²） ，比市售Pt/C催化劑高17到14倍。在50,000次循環后，該催化劑表現出高穩定性，而活性下降可忽略不計。實驗結果和理論計算均表明，由應變和配體效應引起的強鍵鉑-氧（Pt-O）位點較少。此外，通過該催化劑組裝的燃料電池在0.6?V下提供為1.5?A/cm²的電流密度，并可穩定運行至少180小時。

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、移動、儲存、泵送和管理熱能的材料

熱管理已成為從電池到高超音速飛機等諸多技術中最重要的方面之一，因為在高需求的設備和應用中，效率的微小提高會對能源的使用產生重大影響，需要加強能存儲、轉換、泵送和管理熱能材料的開發。研究方向包括：開發更穩定和耐腐蝕的材料，或開發具有較大熔化熱變化的新型相變材料，以提高太陽能熱存儲效率；開發新的熱電材料，聚焦能量色散關系明顯偏離傳統譜帶的固體材料；通過外力改變熱特性或研究相變，開發新的有源熱材料。

近期亮點研究：

Science：廉價環保的高性能熱電材料

北航趙立東教授課題組創新性的將SnSe 轉向更廉價、無毒并含量豐富的 SnS。并且通過調變電子能帶結構實現了SnS熱電性能的調控與提升。通過溫度梯度法合成出 SnS_1-xSex?晶體結構，并實現三個分離電子能帶之間相互作用的控制。Se 的引入實現電子傳輸（μ）和有效質量（m*）兩大參數的同時優化。300 K 時，PF 值從 30 升至 50 mW cm^?1?K^?2; 873 K 時，ZT 最大值和均值分別為 1.6 和 1.25。這種控制策略為優化熱電性能提供了一條不同的途徑。開發高性能SnS晶體是向低成本、地球資源豐富和環境友好型熱電技術邁進的重要一步。

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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