美国确保先进材料领域全球领导地位

一、纳米计划继续作为优先计划和国家创新战略,通过多方联合行动工作机制,加强国家优先领域的创新发展,应用研究成为重中之重
2000年1月,“美国国家纳米技术计划 ”[ “美国国家纳米技术计划” (The National Nanotechnology Initiative, NNI)作为一项政府性研发计划启动,其成员单位有20家,包括联邦政府部门、独立研究机构及委员会。]正式启动,致力于通过在研究开发、政策制定、规范管理等方面的协同合作,促进纳米技术的发现、发展和应用,以实现NNI的愿景,即“对纳米微粒的掌控将引发技术和产业革命,迈向更美好的未来”。 2014年,NNI制定了四大目标,即推动世界级纳米技术研发项目;促进新技术向商业产品和公益产品转化;培养专业人才;完善基础设施,促进纳米技术发展。各成员单位围绕这些目标开展了一系列行动,包括“纳米技术联合计划”[2 “纳米技术联合计划”(Nanotechnology Signature Initiatives,NSI) 是一个跨部门计划和多方联合行动的工作机制,旨在通过强化机构合作来加快国家优先领域的创新发展。]。2014~2016年,“纳米技术联合计划”的重点任务包括5项:
(1)应用纳米技术实现太阳能采集和转化:面向未来的能源解决方案;
(2)可持续纳米制造:创造未来产业;
(3)微纳电子 2020:纳米电子新材料的开发和应用日益受到关注;
(4)纳米技术知识体系:引领可持续设计;
(5)纳米技术和传感器的相互作用:面向健康、安全和环境的改善与保护。
2016年3 月 23 日,美国“国家纳米技术计划”(NNI)宣布推出一项新的“纳米技术联合计划”(NSI):通过纳米技术实现水资源的可持续发展,吸收全球范围内纳米级解决方案。参与的联邦机构包括美国商务部/国家标准与技术研究院、能源部、国家环境保护局、国家航空航天局、国家科学基金会、农业部/国家食品与农业研究院等。“水资源可持续发展纳米技术计划”是 NNI 推出的第六个项目,也是最新的 NSI 计划。
“水资源可持续发展纳米技术计划” 的关键要点为:利用纳米技术增加水资源供应;利用纳米技术提高水的运输与使用效率;利用纳米技术推动下一代水监测系统发展。“水资源可持续发展纳米技术计划”的优先发展目标包括:在 5 年内开发一套纳米技术传感器,用于持续、实时的水质监测系统,该系统将比目前的产品更灵敏、更可靠、更易进行远程操作、寿命更长、可分析更多污染物,并且成本更低;在 5 年内,开发出纳米传感器和传感网络,用于精细化农业作业,监测和优化水、养分与农药的靶向输送,从而使投入最小化;在 10 年内,基于纳米技术创造出一套完整的、用于空间环境下的水污染物检测与分析系统。
在美国 2016 财年预算中,拨付给“国家纳米技术计划”( NNI) 的经费为 15 亿美元,继续支持其作为优先计划和国家创新战略。2001 年以来,NNI 已累计投入 220 亿美元,主要用于基础和应用研究,包括纳米技术研发、测试、设备、人才培训、环境影响、健康和安全等。“国家纳米技术计划”越来越强调加快纳米技术从实验室向市场的转化,在2016财年的预算中,有43%投入到应用研究领域,包括应用推广、器件和系统配置研发,以及支持“纳米技术联合计划”。

二、“材料基因组计划战略规划”上升为“国家级科技战略规划”,致力于为研究人员提供先进工具和技术,培养世界级的材料科学与工程领域的人才
2011年,美国总统执行办公室和美国国家科学技术委员会出台“材料基因组计划(MGI)”。2014年12月,美国国家科学技术委员会发布《材料基因组计划战略规划》,这是美国的国家科技战略规划,将协调和指导联邦政府的投资和研发活动,为MGI的发展指明方向。2016年4月,美国国家科学技术委员会先进制造业小组委员会发布《美国联邦政府优先发展的技术领域综述》报告,也将先进制造材料放在未来优先发展的五大关键领域之首。先进材料制造业对经济发展的战略意义日益凸显。
《材料基因组计划战略规划》的目标是将发现、开发、生产和部署先进材料的速度提高两倍(由原来的10~20年缩减至5~10年),并大幅降低成本。该战略规划公布了九大关键材料研究领域下的63个重点方向,其中,树脂基复合材料、关联材料、电子和光子材料、能源材料以及轻质结构材料这5类材料涉及到的37个重点方向对国家安全影响重大。九大关键材料研究领域包括:
(1)生物材料:包括人体组织和器官可再生生物活性材料;仿生材料;生物构造材料;生物系统新材料;
(2)催化剂:催化剂作为一项使能技术,对美国许多产业起着关键作用,包括能源、化工和药品;
(3)树脂基复合材料:树脂基复合材料通过成分设计和结构设计,能够满足特殊应用,这种功能定制设计能实现许多其他功能,如电、热、光、磁性性能;
(4)关联材料:关联材料包括高温超导体、自旋电子材料、磁性材料、巨磁阻材料、拓扑绝缘体等;
(5)电子和光子材料:光电子产业与各制造业密切相关,改进电子和光子材料以及产品的制造工艺,对性能持续改进和保持美国技术领先优势十分重要;
(6)能源材料:广泛应用于工厂和住宅的能源存储设备,电动汽车和便携式设备、医疗设备;
(7)轻质结构材料:轻质结构材料应用于航空航天、舰船、汽车、重型机械、铁路、家电和建筑工业领域;
(8)有机电子材料:未来几年,众多碳基、可打印的柔性电子项目或将实现100多亿美元的经济价值,影响到如照明、显示、传感、能量转换和储存、医疗诊断、生物相容电子、环境监测等许多领域;
(9)聚合物:聚合物几乎应用在所有依赖于高分子材料的关键部件或加工步骤的工业领域,包括能源、交通、航空航天、电子、生物技术、制药、包装、水资源管理等。
《材料基因组计划战略规划》综合了材料科学与工程界各方的建议,就联邦机构如何执行MGI 提出的减少和降低新材料从发现到进入市场的时间与成本,给出了指导意见。规划明确了四大战略机遇关键领域,并提出了具体的执行方案。主要包括:
(1)将计算、数据和实验联系起来,整合学术界、国家和联邦实验室、产业界的资源。具体实现目标包括:鼓励和促进综合研发,促进MGI方法的采用;开展国际合作。
(2)整合实验、计算和理论,为研发人员提供先进工具和技术。具体实现目标包括:与材料研发和提供者共同进行全产业链合作,创建MGI资源网络;能够开展准确、可靠的模拟试验。改进和优化实验工具;开发数据分析方法,提升实验及计算数据的利用价值。
(3)构建可检索的材料数据库,将实验和计算数据纳入数据库,鼓励研究人员分享数据。
(4)培养世界级的材料科学与工程领域的人才。组织物理、化学、生物学、工程等院系开展材料研究,探索跨学科研究的激励机制,进行新课程开发与实施。推动产业界、高校、联邦机构、国家及联邦实验室之间已有及潜在合作的最佳实践和机会,为综合研究提供机会。
 
三、联邦投资支持的重点领域:研发数据储存库和预测软件工具,加快开发先进的传感器技术和纳米加工工具
目前,联邦政府对有发展前景的先进材料制造能力的支持力度不够,在有限的资金中,政府将重点投资下列环节:(1)联邦政府必须继续投资于基础研究以推动创新;(2)在研发成果向产业化及大规模制造过渡与推广阶段,政府投资的重点是如何降低转化过程中的风险,缩短转化过渡周期,推动将投资收益转化为产业竞争力优势的能力;(3)如果联邦投资涉及多个机构,且这些机构影响了创新生命周期的各个阶段,那么政府的推动重点是支持美国大学和实验室开展前沿研究,增加基础设施投入,同时推动其向市场过渡。例如,政府为纳米技术研究与开发中心和网络提供的支持,包括对美国国家科学基金会(NSF)下属的高速率纳米制造中心的支持,该中心专门研究高速率、高容量纳米制造工具和流程。
美国国防部(DoD)、美国能源部能源效率与可再生能源办公室(EERE)、美国国家科学基金会、美国航空航天局等部门都针对先进材料制造领域进行了投资,具体的项目围绕“数据资源共享”、“新一代计算工具”、“专业研发人员培养”等方面展开。“纳米技术联合计划”等协调活动为在纳米制造业、数据基础设施和传感器发展等领域的合作提供了框架。
美国国防部(DoD)、美国国家标准与技术研究院(NIST)、美国国家科学基金会(NSF)、美国能源部(DOE)、美国农业部(USDA)、美国国家航空和航天局(NASA)及美国国立卫生研究院(NIH)等联邦机构计划在2017财年继续支持多个领域的先进材料制造。主要目标包括:
(1)研发数据储存库和预测软件工具以促进从新结构金属到聚合物等材料的设计,这些材料使定向自组装成新的先进电子产品成为可能;
(2)研制先进的传感器技术和纳米加工工具,以支持大规模制造材料产品。

四、构建能源材料网络:建成材料设计和数字化数据管理和信息科学方面的世界级资源网络基地
2016年2月24日,美国能源部宣布将推出能源材料网络(EMN),旨在提高美国在全球清洁能源领域的竞争力。能源材料网络将重点解决影响清洁能源技术在广泛商业化过程中遇到的主要障碍。
2016年,美国将投入4000万美元,用于解决清洁能源科技大规模商业化的主要障碍之一:先进材料的设计、测试和生产。通过使用美国能源部国家实验室所特有的科学技术和先进的材料创新资源,能源材料网络将有助于清洁能源材料更快地实现商业化。
能源材料网络将建立4个由国家实验室牵头的机构,并将在产业和学术界组织联合研发项目:
(1)轻质材料机构:由美国西北太平洋国家实验室领导,致力于通过设计特有合金和碳纤维强化高分子复合材料,并大规模投入生产,提高车辆燃油效率;
(2)电催化机构:由美国阿贡国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室牵头,致力于寻找新的方法和更加丰富且廉价的物质(如铁和钴)替代目前氢燃料电池中使用的稀有且昂贵的铂族金属;
(3)热量冷却机构:由艾姆斯研究中心牵头,利用实验室在“热”冷却剂材料领域的能力研发和生产创新的冷却技术;
(4)新材料研发机构:以提高太阳能光伏组件的耐用性,并降低成本为目标。
2017财年,美国能源部能效和可再生能源局将投入120多万美元,用于扩大轻质材料和化学反应与催化的范围。研究重点集中在:
(1)低成本的碳纤维前体开发与应用;
(2)用于生物燃料和生物制品的高效率低成本催化剂;
(3)用于通过先进的水裂解反应生产可再生氢的新材料系统;(4)超过当前能量密度的高级低压储氢技术。

原文始发于:美国确保先进材料领域全球领导地位


微信扫码加入本站小密圈,下载6500+最新行业报告及1年期更新

发表评论