Shang Hai /  

2022.9       

摘要

人類社會發(fā)展的歷史證明，材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎,，是國民經(jīng)濟和國防力量發(fā)展的基礎和先導,，它改變著人類的生活方式和思維方式,，是人類文明進步的里程碑。古代的石器,，青銅器和鐵器的興起和廣泛利用對社會進步起到了關鍵性的作用,，被歷史學家分別作為某個時代的重要標志并以此命名那個時代。

19 世紀發(fā)展起來的現(xiàn)代鋼鐵材料,，推動了機器制造工業(yè)的飛速發(fā)展,，為 20 世紀的物質(zhì)文明發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎。20 世紀下半葉開始的新技術革命,，使新材料成為材料發(fā)展中最活躍,，最有生命力的部分。所以世界上所有工業(yè)發(fā)達的國家都把發(fā)展新材料放在重要位置,。

近年來,，中國的新材料產(chǎn)業(yè)如何在世界經(jīng)濟發(fā)展的激烈競爭中嶄露頭角，將成為影響我國經(jīng)濟建設,，國防建設和社會發(fā)展的關鍵問題,。

1.物質(zhì)與材料的分類和變遷

如圖 1 所示，物質(zhì)·材料可以根據(jù)制造·合成（Process）,、結構（Structure）,、性質(zhì)·特性（Property）、性能（Performance）的構成要素進行分類,，另外,，也可以根據(jù)力學、電子,、光,、磁等的功能和利用系統(tǒng)或使用方法進行分類。最常見的分類大致分為圖 2 所示的無機材料,、有機材料,，分為金屬、陶瓷,、半導體材料,、高分子材料、復合材料的方法,。另一方面,，也有如圖 3 所示的 Allen 等人提出的基于非結晶相,、結晶相和液晶相的物質(zhì)·材料的分類法[1],。這是一種以結構為中心，以位錯為代表的結構缺陷的重要性為基礎的分類方法,。

圖 4 是 Ashby 于 1980 年發(fā)表的材料變遷預測圖 2],。金屬在 1960 年左右相對的重要度（Relative Importance）最大為 70~80%,，之后由于聚合物、復合材料,、陶瓷和玻璃的比例增加,，金屬的相對重要度將減少。有趣的是,，本圖的為左右對稱形,，換言之，即使陶瓷或復合材料等材料從自然物置換為人工物,，也返回原來的比率,。其次，從 2000 年左右開始,，金屬以外的材料逐漸飽和,，這一點很有意思。這可以認為是因為嘗試使用陶瓷或復合材料作為結構材料,，但存在脆性材料的可靠性問題,，無法與金屬進行替代。如果這個脆性的問題解決了,，歷史有可能走向金屬以外的物質(zhì)·材料的利用擴大的方向,。

圖 1 物質(zhì)·材料的構成要素、功能及利用的系統(tǒng)

圖 3 根據(jù)構造分類物質(zhì)·材料

圖 4 材料的變遷 2）

圖 5 總結了金屬,、納米技術,、半導體材料、高分子材料,、復合材料的各物質(zhì),、材料取得了怎樣的發(fā)展，哪個物質(zhì),、材料何時被使用,，支撐其的測量、分析,、實驗技術是什么,，相關的理論、背景是什么,，得到的實用物是什么的歷史,。從這個圖可以看出支撐的技術和出現(xiàn)的材料很好地對應，理論也隨之追趕而上的出現(xiàn),。從物質(zhì),、材料的角度回顧歷史，可以說金屬的測量解析技術是從非常早的階段開始發(fā)展的,，支撐這個的理論也從初期時代開始出現(xiàn),。金屬之后出現(xiàn)的精細陶瓷,，一部分表現(xiàn)出與金屬相似的傾向，發(fā)展了獨特的測量技術,，被認為是燒結和熱力學等陶瓷特有的理論支撐的,。高分子材料近年來大量出現(xiàn)，占據(jù)了重要位置,，半導體材料也隨著最近幾十年重要理論和解析技術的急劇地結合而發(fā)展起來,。與此同時，在納米技術中,，雖然以前就有透射型電子顯微鏡,，但認為掃描型隧道顯微鏡的開發(fā)成為了很大的支撐，與材料開發(fā)相連,，在復合材料中,，非破壞檢查成為一項重要的技術。

2.材料科學的構成 

如表 1 所示的材料科學的變遷,。簡而言之,，材料科學是在對金屬、陶瓷,、聚合物等物質(zhì),、材料抱有好奇心而形成學問的好奇心驅(qū)動（Curiosity Driven）時代（到 1965 年為止）、重視功能而謀求結構材料及各種功能材料等實用化的功能驅(qū)動（Function Driven）時代（到 1985 年為止）作為實用系統(tǒng),，經(jīng)過以進一步的實用化為目標的系統(tǒng)驅(qū)動（System Driven）的時代（到 2000 年為止）到現(xiàn)在,。

目前，如圖 6 所示,，迎來了好奇心驅(qū)動（Curiosity Driven）和系統(tǒng)驅(qū)動（SystemDriven）融合的納米技術·納米材料的時代?，F(xiàn)在已經(jīng)到了需要引入納米級的效果，即作為納米表面積變大的表面效果和量子效果的新的物質(zhì)·材料科學的時代,。

表 1 材料科學的發(fā)展

圖 6 物質(zhì)·材料的變遷及支撐的技術和理論

圖 7 展示了材料革新和景氣循環(huán)的關系圖。3）雖然景氣有 50～60 年左右的周期,，但是隨著蒸汽機和汽車的發(fā)明等產(chǎn)業(yè)革命,，通過新的物質(zhì)、材料得到的技術革新成為經(jīng)濟發(fā)展的原動力,。今后,，納米材料的材料革新，與環(huán)境問題和生命科學相關的問題解決相結合,，有望成為經(jīng)濟發(fā)展的原動力,。

圖 7 材料革新與景氣循環(huán)的關系 3）

如圖 8 所示的將來的材料科學的發(fā)展方向。一種是通過操作原子和分子制作納米級材料,，引入納米級效果,。另一種是以結晶相、非結晶相,、液晶相的角度,，從非平衡工藝制作納米微結構，發(fā)現(xiàn)新的特性,。這些都是統(tǒng)一歸屬為無機,、有機材料的方法，期待今后建立新的材料科學,。

3.物質(zhì)·材料的未來研究動向

如圖 9 所示,，未來材料的研究方向主要包括：

（1）納米材料、（2）超導材料,、（3）磁性材料,、（4）半導體材料、（5）生物材料,、（6）生態(tài)材料,、（7）噴氣發(fā)動機·燃氣輪機用超耐熱材料、（8）追求素材性能的金屬材料,、（9）陶瓷材料,、（10）復合材料、（11）高分子材料,、（12）作為物質(zhì)·材料的研發(fā)相關的研究基礎—分析·評價技術,、（13）強磁場產(chǎn)生技術及其應用、（14）納米模擬科學,、（15）新物質(zhì)創(chuàng)制技術,、（16）材料數(shù)據(jù)及信息的獲取和傳送技術、（17）國際標準

以下針對各項研究動向進行介紹:

（1）納米材料

納米材料是目前最受關注的材料之一，其應用范圍涉及多個方面,。在納米管中,，顯示半導體或僅金屬性質(zhì)的選擇性合成和控制是重要的。通過研究納米管的功能和機理是否可以應用于元件等的基礎研究是必要的,。在納米粒子中,，作為粒子制作技術的課題，需要數(shù)～數(shù)十 nm 大小的粒徑控制和形態(tài)及界面的控制,，通過納米粒子表面的改性,、線路板上的排列及集成技術。在納米粒子合成中,，生成過程的原位觀察,、膠體氣溶膠科學的導入和模擬技術的高度化是很重要的。由于量子點激光器已達到實用化水平,，因此標準化變得重要,，同時量子點在單電子效應器件、量子信息處理,、自旋電子學中的應用或生物分子識別中的應用的研究變得重要,。由于半導體器件在高性能化方面存在局限性，因此對作為突破技術的納米器件的期待提高,。因此,，可以認為單電子器件和分子器件等的研發(fā)會變得更加活躍。利用金屬原器件的特性,，實現(xiàn)無所不在信息化社會的高性能便攜終端的開發(fā)不可缺少的可編程器件的開發(fā)已經(jīng)開始,，這些器件使神經(jīng)網(wǎng)絡的實現(xiàn)變?yōu)榭赡堋?/span>

(2）超導材料

超導材料有氧化物系和金屬系兩種，氧化物超導材料與金屬系超導材料相比具有臨界溫度 Tc和臨界磁場 Bc2高的優(yōu)點,，但金屬系超導材料具有對應力和應變的耐受性強,、操作性優(yōu)異的氧化物系超導材料所沒有的特征。在氧化物系超導材料中,，正在研究鉍系氧化物和釔系氧化物的實用化,。鉍系 Bi2Sr2CaCu2O（x Bi-2212）和 Bi2Sr2Ca2Cu3Oy（Bi-2223）線材雖然在實用化中特性還不充分，但具有很大的潛力,，關于這方面的研究正在全力以赴的進行,。另一方面，在釔系氧化物超導材料中,，線材長條化技術的開發(fā)和制造成本的降低是實用化的關鍵,。

在金屬系超導材料中，提高 Nb3Sn 和 Nb3Al 線材等高磁場中的特性是很重要的,。除此之外,，仍需要在長條化,、穩(wěn)定化、交流損失的降低等方面進行研究開發(fā),。在 MgB2中,，在提高特性的同時，需要開發(fā)長條化,、多芯線化,、穩(wěn)定化材料復合等技術。另外,，金屬系,、氧化物系都考慮應用于核聚變實證爐的低感應放射化對應的超導線材的開發(fā)也很重要,。

對于超導線材的高性能化,，納米級的結構控制被認為是有效的，在氧化物系中,，起始物質(zhì)的納米粒子化,、層狀結晶結構、晶界結構的改變等成為重要的研究課題,。另一方面,，為了使氧化物系、金屬系的臨界電流密度 Jc飛躍性地增大,，已知納米尺寸的人工引腳的導入是有效的,，今后將進一步進行研究。在探索新超導物質(zhì)的領域中,，利用超高壓,、超高氣壓、軟化學等特殊環(huán)境的合成非常有意義,，期待今后的進展,。

（3）磁性材料

每輛汽車使用 25～30 個馬達，通過使永久磁鐵高性能化可給汽車的輕量化帶來很大的效果,。在混合動力汽車和電動汽車中,，需要能夠在 200℃的溫度范圍內(nèi)使用的永久磁鐵，不添加重稀土類元素 Dy 而得到高保持力的永久磁鐵,、耐熱性 Nd-Fe-B 磁鐵,、各向異性納米復合磁鐵材料的開發(fā)是很重要的。另外,，關于便攜設備的小型化,，對能夠在薄膜工藝中工業(yè)化大量生產(chǎn)能量積高的磁鐵的制造方法的關心度越來越高。

在軟磁性材料中,，隨著信息通信設備的發(fā)展和磁記錄的高密度化,，按用途進行具有最佳特性的材料開發(fā)，其中支持 GHz 頻帶通信的高電阻軟磁性材料的重要性在增加。對于磁性記錄的記錄頭,，需要超過 FeCo 以上的高磁通密度材料,，20年來在永久磁鐵材料的領域中也沒有發(fā)現(xiàn)超過 Nd2Fe14B 特性的化合物。今后需要用計算材料科學的方法,，預測可能超過現(xiàn)狀特性的新的化合物材料,，沒有計算科學的幫助，新材料的探索變得無法實現(xiàn),。

磁記錄介質(zhì)是從當前面內(nèi)方式向垂直方式的過渡期,。垂直磁記錄方式在原理上是能夠比面內(nèi)方式提高更多記錄密度，已經(jīng)逐漸走向?qū)嶋H應用,。為了以垂直磁記錄方式提高記錄密度,，需要使用頑磁力更好的介質(zhì)，使用目前磁頭的記錄變得困難,。因此,，預計將興起用于實現(xiàn)使高 Ku 材料傾斜取向的傾斜記錄方式和使軟相和硬相交換結合的納米復合介質(zhì)的材料研究。當垂直磁記錄方法達到極限密度時,，最有可能用作介質(zhì)的是諸如 FePt 的高晶體磁各向異性材料（高 Ku 材料）,。為了記錄再生矯頑力極高 FePt 納米粒子介質(zhì)，提出了熱輔助方式,，為此,，研究FePt 納米粒子的 L10 規(guī)則化過程，研究納米粒子的二維排列有必要研究開發(fā)通過有序熱處理抑制粒子的聚結生長和粒子的取向等 FePt 形成適合于熱輔助方式的介質(zhì)結構,。另一方面,，不僅要進行 FePt 等高 Ku 材料，還要進行 CoW 和 CoMo等結晶磁各向異性常數(shù) K2 高的介質(zhì)材料研究,。

用于提高磁記錄密度瓶頸是再生磁頭的開發(fā),，希望開發(fā)再生靈敏度更高的GMR 元件，但近年來的 GMR 元件的三維納米結構變得復雜與產(chǎn)業(yè)界的器件開發(fā)平行,，應該由產(chǎn)官學分擔原理的確立和納米結構分析的研究,。另一方面，對于正在研究應用于 MRAM 和再生頭的隧道型磁阻元件,，為了實現(xiàn)復雜化的納米結構的分析,、使用了半金屬的隧道磁阻（TMR）結的高 TMR 值，應該推進進一步的研究,。

（4）半導體材料

迄今為止,，Si 系電子器件通過使用光刻的集成化實現(xiàn)了高速化和高功能化，但今后將改變材料和結構,，將該趨勢維持到柵極節(jié)點 22nm（實際柵極寬度為10nm）,。因此,，正在推進高電介質(zhì)柵極絕緣膜、金屬柵極,、低電介質(zhì)層間絕緣膜等的開發(fā),。在實現(xiàn)這個目標之前，使用這些技術的 Si 器件確實占據(jù)了半導體器件的 90%以上,。另外,，以更高速化為目標，會出現(xiàn)使用了 Ge 和 CNT 溝道的 MISFET和使用了 GaN 的高頻晶體管和 Si-MOSFET 的混載的 1 個芯片實現(xiàn)多功能的器件,。有機器件目前還只用于顯示設備的一部分,，但將來會用于彎曲器件等有特征的領域。此外,，可以認為,，化合物半導體分為承擔量子點等各種量子效應器件的 GaAs系材料和有望應用于發(fā)光元件、照明器具,、THz 區(qū)域高頻晶體管等的 GaN 系,。

（5）生物材料

在作為治療的人工臟器材料和組織再生材料中,，將可避免異物反應和免疫反應的超生物體親和性材料的創(chuàng)制和用于制造細胞外基質(zhì)類似環(huán)境的材料,、與誘導細胞分化、增殖材料相關基因的研究,，為了最大限度發(fā)揮細胞功能而控制細胞的技術等以外,，還需要制定安全放心的納米生物材料的基本材料設計指南。

在作為診斷的生物電子學中,，使用納米加工技術·器件的生物分子的高靈敏度測量技術作為今后的動向受到關注,。為了應對老齡化社會中日益增長的醫(yī)療需求，家庭醫(yī)療被認為越來越重要,，但是為了提供更多且迅速的診斷有用的信息,，半導體微細加工技術制作的微型化學分析系統(tǒng)（μTAS）和 Lab-on-a-chip 的技術開發(fā)是必不可少的，并且期望向與 IT 技術相組合的,，開發(fā)在家檢查系統(tǒng),。

（6）環(huán)保材料

長期以來，人們忽視了材料的開發(fā)和應用必然受到生態(tài)環(huán)境的影響和制約,。大規(guī)模地生產(chǎn)人類生存所必須的材料總是意味著一定程度上損害生態(tài)環(huán)境,。為了人類的生存和發(fā)展，人們所面臨的課題,，即如何生產(chǎn)將環(huán)境負荷減至最低,，再生率增至最大的材料。日本東京大學山本良一等在 90 年代初提出新的研究領域“環(huán)保材料”Ecomaterials（Environmental Conscious Materials）或 Ecological Materials,。生態(tài)環(huán)保材料是指那些具有良好的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料,。良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性是指資源,、能源消耗少，環(huán)境污染小,，再生循環(huán)利用率高,。生態(tài)環(huán)境材料是人類主動考慮材料對生態(tài)環(huán)境的影響而開發(fā)的材料，是充分考慮人類,、社會,、自然三者相互關系的前提下提出的新概念，這一概念符合人與自然和諧發(fā)展的基本要求,，是材料產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路,。生態(tài)環(huán)境材料是由日本學者山本良一教授于 20 世紀 90 年代初提出的一個新的概念，它代表了 21 世紀材料科學的一個新的發(fā)展方向,。

在功能型環(huán)保材料中,，隨著光催化劑用途開發(fā)的擴大，關于光催化劑反應機理,、活性提高,、可見光化、穩(wěn)定性化等的基礎研究是必不可少的,。特別是,，新型可見光響應型光催化劑的開發(fā)和實用化是當前的課題。另外,，為了選擇性,、有效地分離、分解,、除去特定的化學種,，還要求利用納米技術、自組織化,、鑄型反應等來制造具有高度傳感功能的環(huán)境凈化材料,。而且，對于這樣值得期待的納米材料本身,，也具有水環(huán)境,、土壤環(huán)境等地球環(huán)境下的化學穩(wěn)定性、吸附有害化學物質(zhì)后的納米材料的脫離能力等需要解決的課題,，需要適用于有助于創(chuàng)造安全,、安心、舒適環(huán)境的環(huán)境凈化材料,。

系統(tǒng)要素型環(huán)保材料是環(huán)境適應型新能源系統(tǒng)不可缺少的材料,。為了推進固體高分子燃料電池和氫能源利用、低溫熱源的利用等方面的研究,，需要從物質(zhì)·材料的基礎出發(fā),，基于縝密的分析,、組織控制和構造控制，以特性提高作為目標推進研究,。

生命周期設計型環(huán)保材料是從素材的資源采集到廢棄再利用的整個生命周期降低環(huán)境負荷的材料,。作為典型案例，要推進焊料的無鉛化,，就需使電子安裝整體無鉛化,，因此高溫及低溫焊料合金及其相關技術的開發(fā)是不可缺少的。不使用焊料合金的接合系統(tǒng),，例如部分實際應用的導電性粘接技術也將成為今后的研究趨勢,。今后，作為國家戰(zhàn)略,，需要產(chǎn)學官迅速推進無鉛相關技術的標準化,。關于再循環(huán)技術，不僅要推進以提高分離·純化技術為目標的研究,，還需要進一步推進允許人工雜質(zhì)的存在或利用雜質(zhì)的工藝技術,。為了便于使用后循環(huán)再利用，還需要預先進行可回收材料的設計,。

（7）噴氣發(fā)動機,、燃氣輪機用超耐熱材料

為了節(jié)約化石燃料、減少 CO2 的排放,、防止全球變暖等全球性問題的解決,，要求噴氣發(fā)動機和天然氣復合發(fā)電燃氣輪機等各種熱發(fā)動機具有更高性能,。

在代表性的超耐熱材料 Ni 基超合金中,，單晶合金具有最高的耐受溫度。單晶合金包括初期的第 1 代合金,、含有 3wt%左右錸（Re）的第 2 代合金,、含有 5-6wt%Re 的第 3 代合金等，并被廣泛使用,。添加了釕（Ru）等鉑族金屬的第 4 代和第 5 代 Ni 基單晶超合金在噴氣發(fā)動機中也正在被使用,。

作為將來有可能超過 Ni 基超合金的材料，長年進行了以 Nb,、Mo,、W、Ta 等為基礎的合金開發(fā),。但是,，還不能完全兼顧耐氧化性、韌性和高溫強度,。因此,，這些合金的使用僅限于真空或惰性氣體等保護性氣體的環(huán)境中,。另一方面，雖然將高耐氧化性,、高熔點的鉑族金屬用于基底金屬,，與 Ni 基超合金一樣具有γ/γ’結構的高熔點超合金備受期待，但在價格,、比重,、延展性等方面仍有很多有待解決的課題。今后,，將 Ni,、Co、Ir,、Rh,、Pt 等 FCC 系金屬彼此混合成的γ固溶體作為基礎金屬，期待 Ni 基及鉑金族為基底的,、具有廣泛特性和優(yōu)良性價比的超合金的出現(xiàn),。

（8）金屬

由于金屬的研究領域涉及多方面，本文將其分為鋼鐵,、有色合金,、熱屏蔽涂層·噴涂。

鋼鐵需要開拓以實際應用為前提的利用技術,。例如,，在高溫多濕且地震多發(fā)的東亞，需要確保鋼鐵材料的耐腐蝕性和抗震性,。在耐熱鋼中,，為了保證長期的安全性，有必要就納米析出物在高溫使用中的過渡過程,，以及高溫長時間,、納米厚度的表面黑皮的生成和耐剝離性、焊接部的脆性斷裂等展開研究,。近年來,，雖然氫燃料電池汽車的實用化研究不斷推進，但是,，為了擁有與燃油車同等續(xù)航能力,，不斷研究儲藏壓力的高壓化及可靠性高的相關材料。在鋼鐵材料可靠性研究中,，發(fā)展與結構材料數(shù)據(jù)表編制項目及與材料開發(fā)相關的結構材料可靠性研究項目十分重要,。

在非鐵合金中的鋁合金，為了擴大飛機的需求,，不僅需要材料及工藝的技術的革新,，在循環(huán)再利用方面,，發(fā)揮鋁合金的優(yōu)勢的相關技術研發(fā)也變得非常重要。鎂合金的應用有望在汽車大型零部件輕量化方面不斷擴大,。為了通過雙輥鑄軋等大規(guī)模生產(chǎn)開發(fā)出有助于降低鍛造材料成本的新型合金,，對納米組織分析和優(yōu)化分散狀態(tài)的納米組織控制的研發(fā)也在進行。鈦合金在新一代飛機發(fā)動機部件領域,、生物硬組織替代材料等生物相關領域有很大的需求,，有待開發(fā)與此相關的新的合金。多孔合金是一種具有高強度,、重量輕,、高沖擊吸收和高阻尼性能的材料，為提高運輸設備的碰撞安全性,，通過將不同于孔壁的材料放入孔洞中來發(fā)現(xiàn)新功能的材料,，巧妙的利用孔洞結構的混合材料是將來研究的方向。為了擴大金屬間化合物的用途和種類,，需要改善降低成本等相關制造技術,，必須提高延展性和韌性。數(shù)千種以上的金屬間化合物仍有許多未知,、未利用的特性和功能,，為了利用這些材料，需要進行不斷進行基礎研究,。在高熔點合金中,，不僅需要強度，還需要開發(fā)先進材料,，通過明確抗氧化性,、耐腐蝕性和可制造性等條件來降低成本。為了進一步擴展用途, 形狀記憶合金研發(fā)在不斷的進行,，作為具有傳感器,、致動器、減振性,、超彈性等多功能的智能材料，今后的應用將不斷擴大,。

高溫和長壽命是隔熱涂層的重要組成部分,。近年來，面漆材料的發(fā)展和涂層工藝的發(fā)展受到了人們的關注,。開發(fā)能夠穩(wěn)定未來穩(wěn)定的氧化層（TGO）生長速率并穩(wěn)定基材微觀結構變化的粘結涂層材料至關重要,。噴涂工藝是一種能夠在大面積和高速下形成從金屬到塑料的各種材料的涂層工藝，預計噴涂的速度和速度會降低,。在納米結構材料涂層中,，耐磨性和附著力得到了提高,，特別是在噴涂量大的領域備受關注。熱噴涂是一項重要的技術,，可為環(huán)境耐久性提供大量替代品,。

（9）陶瓷材料

作為非氧化物陶瓷材料的碳作為結構材料和電子材料等的應用范圍很廣，最近研究涉及在生物和環(huán)境領域的應用,。另外,，有關于金剛石的超導、熱解石墨,、富勒烯中的鐵磁性等新現(xiàn)象的報道,，依然是從多方面受到強烈關注的材料。另一方面,，同樣非氧化物的碳化物,、氮化物、硼化物的代表性材料為碳化硅,、氮化硅,、賽隆、氮化硼,、碳化硼,、金屬硼化物等，作為工程陶瓷具有廣泛的用途,。最近,，相繼發(fā)現(xiàn)了新的賽隆熒光體、MgB2超導體,、具有電子發(fā)射能力的氮化硼等,，光和電子相關的功能也受到關注。

作為氧化物類精細陶瓷材料的代表,，可以舉出氧化鋁,、氧化鋯、氧化鎂及其復合氧化物,。這些材料是自古以來就為人所知的材料,，但以 100nm 以下的尺寸設計和控制晶界、粒內(nèi),、晶粒,、形成相、空隙的形狀,、排列,、組成分布等的方法正在成為主流，該動向今后會進一步增強。另外,，為了優(yōu)化功能的組合,，在納米領域的結構控制方法的開拓、納米結構的實驗及理論計算,、結構與特性的關系解析的研究凸顯其重要性,。

3d 過渡金屬氧化物由于表現(xiàn)出催化劑、光催化劑,、鐵電性,、磁性、超導等極為豐富多彩的物理,、化學性能,，因此作為環(huán)境凈化、低負荷材料,、能量材料,、信息、通信材料以及電子,、光學材料被廣泛研究,。今后，其重要性也不會變化,，對它的研究將會持續(xù)活躍進行,。另一方面，關于 4d,、5d 系的鈮氧化物,、鉭氧化物，由于可作為鐵電材料,，對會對其進行研究,。特別是具有定比組成的鈮酸鋰晶體和鉭酸鋰晶體具有良好的特性，因此備受關注,。稀土氧化物被用作固體激光等發(fā)光材料,。在該領域，將開展透光性陶瓷用于激光主機的研發(fā),。

玻璃是被廣泛使用的材料,，但近年來，在環(huán)境,、能源,、信息等領域，要求其進一步的高功能化,。重點研究的材料是通過高度組織控制而表現(xiàn)出新功能的被稱為納米玻璃的功能性玻璃，通過運用各種制造方法，追求高精度化,、高功能化,。

（10）復合材料

在復合材料中，根據(jù)以往進行的強化材料,、基體,、界面這些參數(shù)的處理，需要各個材料本身和界面的組織控制和設計,、能夠控制綜合性能的技術,。因此，特別需要以塑料系,、陶瓷系復合材料等為對象,，積極地進行基體本身和界面納米結構控制、具有遠遠超過利用納米級的彈性模量和熱膨脹系數(shù)之差的以往特性的性能的復合材料的研究等,。作為今后的方向,，希望積極地利用納米材料技術探索新的復合效果、積極地利用最新的科學技術進行試驗和測量技術的開發(fā),。另一方面,，在纖維強化塑料等中，隨著用途的擴大和高度化,，產(chǎn)生了現(xiàn)有技術無法充分應對的問題,。在這些領域中，強烈希望對過程,、特性評價,、可靠性確保和保障等舊的、新的,、重要的未解決的問題進行挑戰(zhàn),。而且，不是以復合材料單體的用途為目標,，而是與現(xiàn)有的其他種類材料進行混合化,，擴大材料所具有的特性，同時補充復合材料弱點的用途開發(fā)也是必要的,。

（11）高分子材料

高分子,，作為產(chǎn)業(yè)的基礎材料的塑料，橡膠和粘接劑,，光致抗蝕劑和分離膜,，凝膠和生物材料等，其用途廣泛,。另外,，包括纖維,、發(fā)泡苯乙烯、紙張等,，可以說是與當今復雜多樣的產(chǎn)業(yè)結構密切相關的材料,。高分子材料與金屬和陶瓷一樣，生產(chǎn)規(guī)模大,，對石油和環(huán)境問題的影響也大,。

作為降低環(huán)境負荷的技術，開發(fā)了無鹵素阻燃劑,、不含 VOC（揮發(fā)性有機化合物）的水溶性高分子涂料等,，開發(fā)了使用高分子膜的水處理技術、輕量的高分子復合材料等與節(jié)能相關的技術,，或者燃料電池等與能量相關的高分子膜,。另外，還可以看到以 CO2 為原料的非光氣法聚碳酸酯制造工藝,、自消化性環(huán)氧樹脂,、再循環(huán)涂裝系統(tǒng)等值得關注的新技術。

另一方面,，高分子材料被認為是納米技術的重要要素,，也是醫(yī)療和生物技術不可缺少的基礎材料。同時,，高分子材料克服了環(huán)境,、安全、能源等當今我國的各種問題,，被認為是支撐可持續(xù)發(fā)展的重要材料,。

（12）分析、評估技術

納米測量是以專門用于有限材料的評價的形式開發(fā)的,，缺乏一般性的東西很多,。今后，有必要開發(fā)具有一般性,、通用性的納米測量裝置及方法,。特別是，有必要致力于能夠評估以原子級精度組裝的大規(guī)模集成電路的納米測量技術的研究開發(fā),。多探針測量通過超并列大規(guī)?；梢猿郊{米測量的框架,，向兼具前所未有的精密度和規(guī)模的納米結構制作及測量技術展開,。在極限場測量中，在極限場 STM 測量中,，磁場強度越強,，越有可能發(fā)現(xiàn)新物性和功能,，因此磁場強度的開發(fā)競爭將來也會持續(xù)。

在高尖端測量技術的開發(fā)中,，不可缺少精密測量技術和極限場環(huán)境創(chuàng)制技術,，在解析納米結構表現(xiàn)的功能和物性的機理上成為強有力的工具,，有可能帶來全新的納米功能和量子效應的發(fā)現(xiàn),。在表面分析中，從光譜測定以高空間分辨率且高速地推定二維,、三維的元素分布及結構,，具有度量衡學的嚴密性是很重要的。

為此,，需要根據(jù)記錄固體中電子和物質(zhì)的相互作用的精確物理量數(shù)據(jù)庫及其傳輸現(xiàn)象的精確見解來建模,。在透射型電子顯微鏡中，為了提高電子顯微鏡的高穩(wěn)定性,、電子束的單色化,、透鏡的像差修正等整體性能，正在進行研發(fā),。通過在透射電子顯微鏡內(nèi)進行不僅包括形態(tài),、結構、組成變化,，還包括電,、磁特性的原位納米物性測定，可以探索發(fā)現(xiàn)依賴于納米物質(zhì),、材料的結構,、組成的納米物性。

在評估法的標準化中,，為了保證分析結果的再現(xiàn)性和可追溯性,，需要正確地表示與分析相關的指導方針，明確應測定的對象,、標準化和規(guī)格的制定變得越來越重要,。

（13）強磁場產(chǎn)生技術及其應用

在強磁場 NMR 中，今后需要開發(fā)的強磁場磁鐵是電源驅(qū)動型超導磁鐵（1.2GHz 級）和混合磁鐵（1.5GHz 級）,。這些強磁場磁鐵與永久電流驅(qū)動的超導磁鐵相比,，磁場強度上升，另一方面,，磁場的穩(wěn)定性本質(zhì)上差 1 個數(shù)量級以上,，因此在該狀況下也需要開發(fā)能夠進行高分辨率 NMR 測定的設備和測定方法。在使用 NMR 的測量中,，除此之外還有磁共振成像（MRI）,。該技術一直被用于發(fā)現(xiàn)臟器異常部位等醫(yī)療領域,，但今后也有望適用于功能測量。由于 NMR 在理論上靈敏度與磁場的 3/2 次方成比例地上升,，所以從功能測量的觀點出發(fā),，希望開發(fā)強磁場MRI。與 NMR 光譜儀相比,，人體用 MRI 需要在約 10 倍的直徑產(chǎn)生強磁場,，因此除了 NbTi 線材之外，還需要開發(fā)在高電磁力下使用臨界磁場高的 Nb3Sn 線材或Nb3Al 線材的技術,。

質(zhì)譜分析認為,，質(zhì)譜法在生物科學和納米技術中的重要性迅速提高，今后將積極嘗試使用超過 10 特斯拉的超強磁場,，飛躍性地提高 FT-ICR 法的性能,。強磁場 TOF-MS 法可以同時進行強磁場中的物質(zhì)的質(zhì)譜和光譜測定，因此可以通過光譜測定來觀測強磁場對質(zhì)量選擇的蛋白質(zhì)分子和納米團簇的結構和反應性的影響,，可以期待今后的發(fā)展,。

（14）納米模擬科學

計算科學方法根據(jù)作為對象的物質(zhì)的尺寸和現(xiàn)象的時間尺度，分為以電子水平為對象的第一原理計算,、處理原子和分子的集體運動的分子動力學法,、以塊狀材料為對象的有限元法和統(tǒng)計熱力學法、Phase-field 法等,。特別是,，關于納米生物物質(zhì)，期待通過原子尺度的設計·控制來發(fā)現(xiàn),、探索創(chuàng)新的功能,，在實驗中進行困難的高精度、高分辨率的數(shù)值解析,，并且預測在完全控制的環(huán)境中的功能,，反饋至實驗等，對計算科學的要求非常大,。因此,，有必要開發(fā)解析納米生物物質(zhì)的電子狀態(tài)與物性及功能相關的先進量子模擬方法，并且超大規(guī)模計算,、多功能解析（多功能解析）,、強相關建模、多尺度方法等的開發(fā)和高度化成為當務之急,。

（15）新物質(zhì)創(chuàng)制技術

新物質(zhì)創(chuàng)造技術包括粒子束應用技術和真空工藝應用技術,。在粒子束應用技術中，關于利用離子注入技術的非平衡性·空間控制性的納米粒子·納米結構制作,，以金屬及氧化物為首的多種納米粒子和納米棒形成等的多樣化將繼續(xù)取得進展,。為了這些納米材料的高功能化,，必須從隨機納米粒子結構向（一維）排列化納米粒子結構展開，微細加工技術和激光照射等組合的比重有所提高,。在使用電子束誘導蒸鍍的納米結構制作中,，除了需要發(fā)展所得到的結構的精密鑒定技術之外，還需要改善結晶性等與物性相關的方面,。據(jù)推測,，在真空工藝應用技術中，在今后的下一代器件的研發(fā)過程中,，將推進例如將布線材料轉(zhuǎn)移到不僅是半導體類材料,，還容易氣體吸附、處理困難的金屬類材料等的研究,，進而將布線寬度降到納米級等。在極高真空的原子和分子水平下,，可以在超清潔環(huán)境下操作的極高真空工藝性能將進一步得到提高,。

（16）材料數(shù)據(jù)·信息的獲取及發(fā)送

在材料數(shù)據(jù)、信息的取得和傳送結構材料數(shù)據(jù)庫的變化中,，在取得先進耐熱鋼及耐熱合金的長時間蠕變特性的同時,，還需要對汽車等節(jié)能化需求高的 Al 合金、Mg 合金等輕量有色金屬材料進行研究,。在金屬疲勞研究中,，研究主題轉(zhuǎn)移到了 107 個循環(huán)以上的超高循環(huán)疲勞區(qū)域的破壞，特別是內(nèi)部破壞的解析等,。今后,，將深入到有平均應力狀態(tài)下的千兆循環(huán)疲勞特性、焊接接頭的板厚效果及缺口效果的系統(tǒng)研究,、Ni 基超合金的高溫疲勞特性等新的試驗條件領域和材料等,。腐蝕數(shù)據(jù)應在大氣腐蝕環(huán)境中評價包括實用材料在內(nèi)的各種材料的腐蝕性，以擴充與大氣腐蝕現(xiàn)象相關的基礎數(shù)據(jù),。在宇宙相關材料強度數(shù)據(jù)表中,，除了強度以外，還需要對要求很強的疲勞裂紋發(fā)展特性和破面數(shù)據(jù)集的出版和銅合金等其他發(fā)動機材料和重要結構材料的取得進行研究,。關于物質(zhì),、材料相關的普遍、高品質(zhì)的基礎數(shù)據(jù),，在國際合作的基礎上推進數(shù)據(jù)的積累,，同時，以通過數(shù)據(jù)信息發(fā)現(xiàn)物質(zhì),、材料相關知識為目標的研究也將活躍的開展,。

（17）國際標準

在標準物質(zhì)的納米領域分析中,，以材料計量為關鍵，預計現(xiàn)場使用的 2 次標準和實用標準的整備將迅速開展,。在 VAMAS（國際標準化研究）中,，很多國家將納米材料作為國家政策，競爭國際標準化,，今后,，在國家和產(chǎn)業(yè)界運用 VAMAS 國際標準化活動的重要性將提高。納米技術的標準化將在未來幾年取得飛躍性進展,。