05

聚合物、生物材料和其他軟物質(zhì)

聚合物將在環(huán)境、能源和自然資源應(yīng)用、通信和信息、健康等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

在環(huán)境領(lǐng)域

聚合物應(yīng)用的目標(biāo)是以有效和可持續(xù)的方式使用原料和聚合物產(chǎn)品，研究方向包括：研究被忽視的原材料（如農(nóng)業(yè)、工業(yè)或人類活動(dòng)產(chǎn)生的廢物，其他含碳或硅的物質(zhì)）使其形成有用的聚合物材料；將自修復(fù)材料市場(chǎng)化以提高其壽命、耐用性和回收利用；加強(qiáng)分離技術(shù)或其他物理過(guò)程的研發(fā)以實(shí)現(xiàn)混合塑料回收。

在能源和自然資源應(yīng)用領(lǐng)域

研究方向包括：提高能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的安全性和效率，包括固體電解質(zhì)、全有機(jī)電池和用于液流電池的氧化還原聚合物；開發(fā)用于能量轉(zhuǎn)換的聚合物，包括有機(jī)光伏和LED、薄膜晶體管、熱電材料、導(dǎo)致柔性和可穿戴系統(tǒng)；開發(fā)用于能量-水聯(lián)結(jié)的聚合物，如膜和抗污染材料；提高能源效率及能運(yùn)輸清潔水的智能建筑材料；實(shí)施和整合綠色化學(xué)和工程原理、生命周期/可持續(xù)性思想，設(shè)計(jì)開發(fā)商品和先進(jìn)聚合物技術(shù)。

在通信和信息領(lǐng)域

研究方向包括：在聚合物和有機(jī)半導(dǎo)體中，提高器件中電荷傳輸?shù)碾姾奢d流子遷移率；在光電器件中，設(shè)計(jì)和開發(fā)考慮了結(jié)構(gòu)/性質(zhì)/工藝之間關(guān)系的半導(dǎo)體有機(jī)和聚合物材料；數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)和使用。

在健康領(lǐng)域

研究方向包括：提升基于聚合物的納米材料的設(shè)計(jì)，擴(kuò)展至免疫工程等新應(yīng)用；開發(fā)能進(jìn)一步控制微納結(jié)構(gòu)以及提高設(shè)備和植入物的定制、一次成型和現(xiàn)場(chǎng)制造可能性的增材制造技術(shù)；發(fā)展基于聚合物的組織工程以減少動(dòng)物模型在藥物測(cè)試和材料測(cè)試中的使用。

在基礎(chǔ)聚合物科學(xué)領(lǐng)域

研究方向包括：在多個(gè)尺度范圍內(nèi)研究聚合物的合成、結(jié)構(gòu)控制、性質(zhì)表征、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等；建造和集成能力更強(qiáng)、更易于獲取使用權(quán)的先進(jìn)儀器；通過(guò)聯(lián)合創(chuàng)新計(jì)劃來(lái)打破實(shí)驗(yàn)至上和理論至上兩類研究隊(duì)伍之間的認(rèn)知障礙；開發(fā)可獲得、可擴(kuò)展、同時(shí)具有更綠色生命周期的聚合物。

生物材料的進(jìn)一步發(fā)展需要先進(jìn)的合成方法、新穎的表征工具及先進(jìn)的計(jì)算能力。未來(lái)的研究方向包括研究軟物質(zhì)的自主行為以及掌握具有與肌肉骨骼組織相當(dāng)性質(zhì)和功能的合成材料的制造方法。未來(lái)無(wú)機(jī)生物材料的重要研究方向包含生物金屬的金屬材料和陶瓷生物材料、用無(wú)機(jī)粉末的增材制造技術(shù)、生物分子材料性能的提升及糖化學(xué)。軟生物材料的重要方向包括超分子組件中的結(jié)構(gòu)控制、水凝膠材料中水的組織和動(dòng)力學(xué)、納米結(jié)構(gòu)內(nèi)多個(gè)生物信號(hào)的精確空間定位方法。

06

結(jié)構(gòu)化材料和超材料

結(jié)構(gòu)化材料具有量身定制的材料特性和響應(yīng)，使用結(jié)構(gòu)化材料進(jìn)行輕量化，可以提高能效、有效負(fù)載能力和生命周期性能以及生活質(zhì)量。未來(lái)的研究方向包括開發(fā)用于解耦和獨(dú)立優(yōu)化特性的穩(wěn)健方法，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化多材料系統(tǒng)等。

超材料是設(shè)計(jì)出來(lái)的具有特定功能（磁、電、振動(dòng)、機(jī)械等）響應(yīng)的結(jié)構(gòu)化材料，這些功能一般在自然界不存在。超材料的未來(lái)研究方向包括：制造用于光子器件的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，控制電磁相位匹配的非線性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)能產(chǎn)生負(fù)折射率的非電子材料，減少電子躍遷的固有損失。

07

能源材料、催化材料和極端環(huán)境材料

能源材料的研究方向包括：持續(xù)研發(fā)非晶硅、有機(jī)光伏、鈣鈦礦材料等太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的材料，開發(fā)新的發(fā)光材料，研發(fā)低功耗電子器件，開發(fā)用于電阻切換的新材料以促進(jìn)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算發(fā)展。催化材料的研究方向包括：改良催化材料的理論預(yù)測(cè)，高催化性能無(wú)機(jī)核/殼納米顆粒的合成，高效催化劑適合工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用的可擴(kuò)展合成方案，催化反應(yīng)中助催化劑在活性位場(chǎng)上的選擇性沉積，二維材料催化劑的研究。

極端環(huán)境材料是指在各種極端操作環(huán)境下能符合條件地運(yùn)行的高性能材料，研究方向包括：基于科學(xué)的設(shè)計(jì)開發(fā)下一代極端環(huán)境材料，如利用對(duì)材料中與溫度相關(guān)的納米級(jí)變形機(jī)制的理解來(lái)改進(jìn)合金的設(shè)計(jì)，利用對(duì)腐蝕機(jī)理的科學(xué)理解來(lái)設(shè)計(jì)新的耐腐蝕材料；理解極端條件下材料性能極限和基本退化機(jī)理。

08

水、可持續(xù)性和潔凈技術(shù)中的材料研究

碳捕集和儲(chǔ)存的材料研究的機(jī)遇包括：基于溶劑、吸附劑和膜材料的碳捕集，金屬有機(jī)框架等新型碳捕集材料，電化學(xué)捕集，通過(guò)地質(zhì)材料進(jìn)行碳封存。潔凈水的材料問(wèn)題涉及膜、吸附劑、催化劑和地下地質(zhì)構(gòu)造中的界面材料科學(xué)現(xiàn)象，需要開發(fā)新材料、新表征方法和新界面化學(xué)品。可再生能源儲(chǔ)存方面的材料研究基于：研發(fā)多價(jià)離子導(dǎo)體和新的電池材料以提高鋰離子電池能量密度，研發(fā)高能量密度儲(chǔ)氫的新材料以實(shí)現(xiàn)水分解/燃料電池能量系統(tǒng)。

聚合物材料為可持續(xù)清潔技術(shù)領(lǐng)域提供獨(dú)特的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，未來(lái)研究方向包括：利用可持續(xù)材料制備新塑料的方法，高度天然豐富的聚合物（如纖維素）的有效加工方式，稀土的高效使用、非稀土替代品的尋找和制備，稀土材料的回收和再利用，用于先進(jìn)燃料電池的非鉑催化劑。

09

移動(dòng)、儲(chǔ)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(jī)等諸多技術(shù)中最重要的方面之一，因?yàn)樵诟咝枨蟮脑O(shè)備和應(yīng)用中，效率的微小提高會(huì)對(duì)能源的使用產(chǎn)生重大影響，需要加強(qiáng)能存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、泵送和管理熱能材料的開發(fā)。研究方向包括：開發(fā)更穩(wěn)定和耐腐蝕的材料，或開發(fā)具有較大熔化熱變化的新型相變材料，以提高太陽(yáng)能熱存儲(chǔ)效率；開發(fā)新的熱電材料，聚焦能量色散關(guān)系明顯偏離傳統(tǒng)譜帶的固體材料；通過(guò)外力改變熱特性或研究相變，開發(fā)新的有源熱材料。