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)或其他物理過程的研發(fā)以實現(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，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物模型在藥物測試和材料測試中的使用。

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；通過聯(lián)合創(chuàng)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(rèn)知障礙；開發(fā)可獲得、可擴(kuò)展、同時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)的計算能力。未來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。未來無機(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力學(xué)、納米結(jié)構(gòu)內(nèi)多個生物信號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)計出來的具有特定功能（磁、電、振動、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。超材料的未來研究方向包括：制造用于光子器件的納米級結(jié)構(gòu)，控制電磁相位匹配的非線性設(shè)計，設(shè)計能產(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，高催化性能無機(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)計開發(fā)下一代極端環(huán)境材料，如利用對材料中與溫度相關(guān)的納米級變形機(jī)制的理解來改進(jìn)合金的設(shè)計，利用對腐蝕機(jī)理的科學(xué)理解來設(shè)計新的耐腐蝕材料；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，通過地質(zhì)材料進(jìn)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(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。可再生能源儲存方面的材料研究基于：研發(fā)多價離子導(dǎo)體和新的電池材料以提高鋰離子電池能量密度，研發(fā)高能量密度儲氫的新材料以實現(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、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(jī)等諸多技術(shù)中最重要的方面之一，因為在高需求的設(shè)備和應(yīng)用中，效率的微小提高會對能源的使用產(chǎn)生重大影響，需要加強(qiáng)能存儲、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，以提高太陽能熱存儲效率；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；通過外力改變熱特性或研究相變，開發(fā)新的有源熱材料。