《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)、計算機和數(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)今社會和經(jīng)濟所必需的產(chǎn)品中。

這份報告是由美國國家科學(xué)基金會(National Science Foundation,NSF)和能源部(Department of Energy,DOE)立項并資助，深入達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。本報告是有關(guān)材料研究的第3次十年調(diào)查。第一份報告(《1990年代的材料科學(xué)與工程：保持材料時代的競爭力》，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次報告回顧了過去10年材料研究的進展和成就，以及材料研究領(lǐng)域的變化；預(yù)測了2020～2030年間的投資機會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、合成和加工以及計算機模擬的能力)已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進步，使得以前無法實現(xiàn)的領(lǐng)域得以實現(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，如計算材料科學(xué)與工程領(lǐng)域。將計算方法(包括數(shù)據(jù)科學(xué)，機器學(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)也將成為另一個優(yōu)先的方向。量子信息科學(xué)不僅包括量子計算，還包括存儲、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)材料和拓撲材料(topological materials)的研究中。

從整個材料的大范圍來看，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)、國家實驗室和工業(yè)之間展開密切的合作，這一需求也在本報告中多次出現(xiàn)。

報告建議，要持續(xù)對各級研究基礎(chǔ)設(shè)施進行投資，包括從大學(xué)實驗室儀器到國家實驗室的大型設(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?；A(chǔ)設(shè)施是美國材料研究的寶貴財富，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年進展

近10年來，材料研究的方方面面都取得了很大進展，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)用價值。過去10年中另一個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)需要進行一次性生產(chǎn)。其他一些主要材料的發(fā)展包括經(jīng)濟實惠的發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)照明、平板顯示器以及電池的改進等。

材料科學(xué)一些重要的進展是純粹的發(fā)現(xiàn)驅(qū)動科學(xué)的產(chǎn)物(例如拓撲絕緣體)，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)。材料基因組計劃(Materials Genome Initiative，MGI)和國家納米技術(shù)計劃(National Nanotechnology Initiative，NNI)這兩項主要的政府舉措，在促進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性，使得它們具有很高的應(yīng)用價值。涂層技術(shù)的進步提高了可靠性，廣泛應(yīng)用于熱保護和環(huán)境保護系統(tǒng)。在越來越多的應(yīng)用中，層狀材料體系正在取代先進單片材料，每一層的獨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展。

超導(dǎo)研究一直是一個多產(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撲材料等。

2.未來研究機會

在上述最新進展的基礎(chǔ)上，該報告還發(fā)現(xiàn)了許多預(yù)計將在未來10年出現(xiàn)的材料研究機會。這些機會將涵蓋幾乎所有材料類別，承載了許多有價值的應(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驗和計算建模來推進，并隨著條件和行為的變化對材料進行原位表征。新機遇還將來自設(shè)計、組合、加工和制備方法等方面的創(chuàng)新，以及先進設(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，例如強度和延展性無法同時提升的問題。其次是納米金屬合金，這個非傳統(tǒng)金屬領(lǐng)域預(yù)計也會取得進展，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)。

信息和計算技術(shù)行業(yè)將繼續(xù)推動半導(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)行機器學(xué)習(xí)和其他算法，而這些算法與傳統(tǒng)的計算機邏輯和結(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)實現(xiàn)更高效的電力管理，也成為了一個各界關(guān)注的焦點。

二維材料(包括石墨烯)為探索表面電子態(tài)的性質(zhì)提供了機會。通過對這些材料進行分層，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)用提供潛在機會。拓撲材料的性質(zhì)由其激發(fā)光譜的拓撲性質(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遇，可能會使得其作為固體電解質(zhì)用于能量儲存和非線性光學(xué)器件。

復(fù)合材料將越來越適用于更先進的應(yīng)用，遠遠超出傳統(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，主要是因為其對單結(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，主要是因為它們微米或納米級別的結(jié)構(gòu)設(shè)計極大增強了所制器件的功能。通過復(fù)合成分分布設(shè)計達到材料輕量化，為航空航天、運輸和能源生產(chǎn)等領(lǐng)域的一系列技術(shù)提供了機遇。多功能材料，例如既提供結(jié)構(gòu)又提供熱管理、增強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(jié)構(gòu)正在被實現(xiàn)。傳統(tǒng)材料研究領(lǐng)域也有驚人的新進展，例如在多組分、高熵合金和無機玻璃方面。

主要建議：美國聯(lián)邦機構(gòu)(NSF、DOE、DOD)應(yīng)維持穩(wěn)健的項目，以支持在某些情況下會擴大并長期存在的領(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、磁體和二維及拓撲材料，代表了一個充滿活力的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。對材料科學(xué)的新理解有助于未來在計算、數(shù)據(jù)存儲、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算方向，例如量子計算和神經(jīng)形態(tài)計算，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(NSF)的兩個“十大創(chuàng)意”專門確定了對量子材料的支持(參見《量子躍進：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(NSF)、能源部(DOE)、美國國家標(biāo)準技術(shù)研究院(NIST)、國防部(DOD)和情報先進研究計劃局(IARPA)的重大投資和合作將加速量子材料科學(xué)與工程的進步，這對美國未來經(jīng)濟和國土安全至關(guān)重要。在美國能源部科學(xué)辦公室和國家核安全局實驗室以及國防部研究實驗室(陸軍研究實驗室ARL，海軍研究實驗室NRL，空軍研究實驗室AFRL)的領(lǐng)導(dǎo)下，與先進計算有利益關(guān)系的機構(gòu)應(yīng)在接下來的10年中支持研究新計算范例的基礎(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輸?shù)妮p質(zhì)、高強、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電池等材料的改進從根本上對能源做出了貢獻。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。人類用于發(fā)電、加熱和冷卻以及運輸?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)和國家實驗室之間能夠加強互動，特別是加強材料科學(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)的進步，以技術(shù)促進新理論的突破，將會產(chǎn)生極大的經(jīng)濟效益。全球都需要將基礎(chǔ)理論發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為實用技術(shù)。新的激勵機制旨在鼓勵教師、學(xué)生、科學(xué)家和工程師進行親密的團隊合作。

主要發(fā)現(xiàn)：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(xué)科之間的交叉點上，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)界和政府實驗室之間的協(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))和國家實驗室之間更自由流動互動的模式，促進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，使各種資助機構(gòu)能夠在需要時協(xié)同工作，促進大學(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(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的理念是補充NSF現(xiàn)有促進基礎(chǔ)研究的“材料科學(xué)與工程研究中心”，以及促進技術(shù)發(fā)展的“工程研究中心”，并使兩者實現(xiàn)功能性協(xié)同?；A(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)險項目。

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)、國家實驗室和工業(yè)合作的一個重要機會。

主要建議：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?？茖W(xué)基金會、能源部和其他機構(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。面向更多新機會，該報告確定了許多必要的結(jié)構(gòu)性步驟，以促進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(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增加了時間維度)等工具，使得表征技術(shù)得到了提高。精準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現(xiàn)精確合成的新功能?，F(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?？刂浦牧咸匦?。

在計算能力方面，研究人員在多尺度上對材料建模進行改進，能夠以高保真度計算材料特性。這些計算結(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)，并能夠加強對實驗數(shù)據(jù)的解釋。除了基于物理模型，由數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學(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。

另一個主要的進步是對材料性能的計算設(shè)計、納米到微米控制的制造工藝以及具有同樣精準分辨率的實驗表征方法的融合。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)計空間擴展到多個維度，獨立處理當(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。一些機構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出先進的計算工具，這在功能材料的預(yù)測建模以及跨越多個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，購買和維護最先進基礎(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)邦機構(gòu)、私人基金會和企業(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(NSF)通過主要研究儀器(Major Research Instrumentation，MRI)計劃贊助科研儀器。但該計劃規(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)運營著許多尖端的散射設(shè)施。正如美國國家標(biāo)準與技術(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目通常需要在合成、結(jié)構(gòu)和性能測試之間進行持續(xù)且即時的反饋與循環(huán)測試，依靠遠程設(shè)施進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驗員，但這種模式下儀器仍然缺乏資金來維持和升級，還會導(dǎo)致雇用年輕人的下行壓力。

主要發(fā)現(xiàn)：從大學(xué)和國家實驗室到大型研究中心，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)?；A(chǔ)設(shè)施近年來被嚴重忽視，使得維護成本和聘用專業(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構(gòu)都應(yīng)實施國家戰(zhàn)略，以確保大學(xué)研究小組和國家實驗室能夠在當(dāng)?shù)亻_發(fā)并持續(xù)使用材料研究所需的先進中型儀器以及實驗室基礎(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)和先進的測量儀器。這些機構(gòu)還應(yīng)繼續(xù)支持大型設(shè)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(biāo)準技術(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)劃進行參與并投資。

主要發(fā)現(xiàn)：三維(3D)表征、計算材料科學(xué)以及先進制造和加工技術(shù)的進步使材料研究領(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)到使用的時間。

主要建議：聯(lián)邦機構(gòu)(包括NSF和DOE)應(yīng)在2020年前擴大對自動化材料制造的投資，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)支持跨越自動化材料合成和制造的多個學(xué)科。從最基礎(chǔ)的研究到產(chǎn)品實現(xiàn)，包括通過計算技術(shù)的進步實現(xiàn)的實驗和模擬能力，達到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)：材料基因組計劃和早期的集成計算材料工程方法，讓我們認識到了集成和協(xié)調(diào)計算方法、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)時間。

主要建議：美國政府在國家科學(xué)基金會(NSF)、國防部(DOD)和能源部(DOE)的配合下，應(yīng)支持開發(fā)探索新的計算方法和先進的數(shù)據(jù)分析方法，發(fā)明新的實驗工具來探測材料的特性，設(shè)計新的合成和加工方法。當(dāng)前政府機構(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

材料研究對一個國家的經(jīng)濟福祉和安全的重要性不言而喻，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。作為研究進展的一部分，該報告就材料研究對世界經(jīng)濟的貢獻、材料項目以及若干國家的投資情況進行了調(diào)查。許多國家的項目比美國的項目更注重經(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(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的比例更大。

主要發(fā)現(xiàn)：發(fā)達國家和發(fā)展中國家之間在現(xiàn)代經(jīng)濟驅(qū)動力(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)、先進智能制造領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)地位的威脅。評估計劃應(yīng)建立在永久性基礎(chǔ)上，并應(yīng)在2022年前確定一項應(yīng)對這種威脅的戰(zhàn)略。

材料研究是經(jīng)濟增長、國家競爭力、財富與貿(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)濟體已經(jīng)認識到這種關(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展、增強在全球經(jīng)濟中的國家競爭力。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)字和信息時代的發(fā)展，面臨著全球當(dāng)前和未來的挑戰(zhàn)，預(yù)計這種影響將會更大。

(原報告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.)