【编者按】美国国家科学院、工程院和医学院(National Academies of Sciences,Engineering,and Medicine)为国家提供独立、客观的分析和建议、解决复杂问题，并为公共政策决策提供信息服务；同时鼓励教育和研究，认可知识方面的杰出贡献，提高公众对科学、工程和医学的了解。

受美国国家科学基金会和能源部委托，美国国家科学院、工程院和医学院开展了该项研究，阐明美国乃至全球材料研究的现状和前景。《材料研究前沿:十年调查》(FrontiersofMaterialsResearch:ADecadalSurvey)是有关材料研究的第3次十年期调查，现将报告内容概括如下，希望能在我国的材料研发、产业布局及政策制定等方面起到积极借鉴作用。

现代材料科学以物理学、化学、生物学、数学、计算机和数据科学以及工程科学知识为基础，让我们能够理解、把控和拓展材料世界。虽然材料研究以探究式基础科学为基础，但仍然致力于发现和生产可靠且经济可行的材料，从超合金到聚合物基复合材料，这些材料已被大量应用于当今社会和经济所必需的产品中。

这份报告是由美国国家科学基金会(National Science Foundation,NSF)和能源部(Department of Energy,DOE)立项并资助，深入达成一致共识的研究结果，旨在从全世界相似的研究中，记录美国材料领域的现状和未来潜在的研究方向。本报告是有关材料研究的第3次十年调查。第一份报告(《1990年代的材料科学与工程：保持材料时代的竞争力》，国家学术出版社，华盛顿)发表于1990年，第二份报告(《凝聚态物质和材料物理学：我们周围世界的科学》，国家学术出版社，华盛顿)发表于2010年。2019年的第3次报告回顾了过去10年材料研究的进展和成就，以及材料研究领域的变化；预测了2020～2030年间的投资机会以及材料研究对新兴技术、国家需求和科学的影响，并预测了企业在未来10年可能面临的挑战。

在过去的10年里，材料研究取得了许多突破传统思维模式的进展，材料发掘的速度也在加快。支撑材料研究的方法(包括材料表征、合成和加工以及计算机模拟的能力)已经取得了相当大的进步，使得以前无法实现的领域得以实现。科学与工程是令人兴奋的，创造和控制新材料的前景很乐观，通往重要应用的道路也十分鼓舞人心。然而，这种积极的看法仍受到以下因素制约：可以预见的许多进步所需的资源得不到保证；国际竞争正在威胁美国在材料研究方面的领导地位。

某些领域的材料研究尤为重要，如计算材料科学与工程领域。将计算方法(包括数据科学，机器学习和信息学)与材料表征、合成与加工方法相结合，加速了新材料的发现及其在产品中的应用。这种势头将延伸到数字化制造领域，在增材制造和其他工艺中，材料合成可以直接与制造相结合。在未来的10年里，量子信息科学材料(quantum information science，QIS)也将成为另一个优先的方向。量子信息科学不仅包括量子计算，还包括存储、量子传感和通信技术，且已应用到了超导体、半导体、磁体以及二维(2D)材料和拓扑材料(topological materials)的研究中。

从整个材料的大范围来看，材料科学与技术对地球环境质量和可持续发展有巨大影响，例如可以通过设计新型材料来催化一系列重要的化学反应。研究人员已经开展了很多关于表面条件对有效催化作用的研究，例如采用等离子体辅助热电子催化。未来的研究有望改善材料的可持续制造，例如，原材料的选择、节能的制造方法和可回收性。需要大学、国家实验室和工业之间展开密切的合作，这一需求也在本报告中多次出现。

报告建议，要持续对各级研究基础设施进行投资，包括从大学实验室仪器到国家实验室的大型设备，这些设备对美国材料科学企业的健康发展至关重要。基础设施是美国材料研究的宝贵财富，为了材料领域的产出和健康发展，它必须保持世界领先水平。

1.过去10年进展

近10年来，材料研究的方方面面都取得了很大进展，几乎涵盖了所有的材料类型。例如，石墨烯在上次的10年学科调查中仅仅受到些许的关注，这次却引起了其他二维材料的兴起。更重要的是，石墨烯的发现激发了人们对新物理现象的研究，其在太阳能电池、晶体管、相机传感器、数字屏幕和半导体等许多电子领域具有潜在的应用价值。过去10年中另一个意想不到的是增材制造(additive manufacturing，AM)的发展，虽然这一领域只有几十年的历史，但现在既可以批量生产，也可以根据需要进行一次性生产。其他一些主要材料的发展包括经济实惠的发光二极管(light-emitting diode，LED)照明、平板显示器以及电池的改进等。

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