Cell Press邀请您采访Chem 和Matter 的主编，还不快来？

我认为如下列出的材料科学五大趋势，将极有可能在2019年或以后的Matter 杂志中有不同程度的展现。

1. 增材制造

增材制造（AM, Additive manufacturing）通常指的是3D打印，近年来这项技术在建模和原型应用领域越来越受到关注。与传统的材料合成工艺相比，增材制造有两个显著优点：精确和定制化。这两个特性通常受制于成本因素很难实现。增材制造改变了这种局面。不仅仅是像丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）和聚乳酸（PLA）这样的塑料制品可以采用增材制造，它的真正优势在于可以应用于各种不同规模材料的加工，如金属、功能材料和生物材料等。用3D打印的方式高效加工钢铁和混凝土，将彻底改变建筑业。采用生物相容性材料“打印”定制化的人体植入物，如心脏支架、耳鼻喉植入物、髋关节置换物等，将改变我们对“个性化”医疗的看法。与制作印刷电路板类似，纳米级电子产品也可根据订单要求“打印”，这将开启纳米机器人的新时代。甚至，在未来“逐个原子替换”（atom-by-atom placement）将成为可能，这使得我们可以在最小的范围内对材料进行微调和操纵。

2. 机器学习

从历史上看，材料学科的突破和发展并不迅速。研发人员对实验或仿真所得到的结果进行设计、推导、分析和阐释，很容易漏掉很多东西。我们可不可以利用算法和“大数据”来发现新材料并优化现有体系呢？科学家们正在这方面不懈探索，如“材料基因组计划”，就是通过大数据驱动技术，并大量使用统计学、机器学习和人工智能等方法对材料学数据进行阐释和建模。其结果是加速了新材料的发现，同时提升了从复杂数据中得出科学见解的能力。机器学习与材料科学相结合，将为未来材料学的发展带来重要启示，包括发现新材料和微调的特性和性能。

3. 绿色环保

绿色环保材料的发展趋势包括两大主要领域：能源和可持续性。就能源领域而言，我指的是在存储、创造、传输能源或能量转换过程中的所有材料学方面的新进展。这包括光伏发电、氢存储平台、超导体、超级电容器等。材料学的发展已经推动了电池技术的进步，使得它不仅能为你的iPhone手机充电，也能为特斯拉电动汽车提供动力。就可持续性领域而言，我指的是从材料的整个生命周期考虑，更有效地使用和生产材料。例如，因为大量使用塑料，许多海滩地区受到威胁，因为塑料的使用寿命一般长达数百年（我们甚至已经开始禁止使用饮料吸管）。因此，我们迫切需要找到能够高效降解塑料的新材料和新方法。这是高分子科学领域的一项艰巨挑战，需要对分子和原子层面所有交互方式的理解和掌控。

4. 生物____

我们将这一领域称为“生物____”：我们希望它既能涵盖传统生物材料，如蚕丝和弹性蛋白、DNA、RNA、脂质，及自然体系内的材料，如贝壳、羽毛、骨骼和木材；也包括仿生体系，例如，仿造珍珠层结构的实体型体系。大自然利用有效的合成方法、有限的成分以及有限环境影响，生产出了一些世界上最好的高性能材料，我们可以从自然界的扩展研究和发展（例如，进化）中吸取许多经验。除了向天然材料学习之外，我们还希望将其仿造作为技术手段——这就是合成细胞和细胞组分背后的驱动力。例如，在工业应用中大规模使用的高级酶活性的蛋白质聚合体。未来的材料生产将不会采用合成方法，而是让材料自己生长。

5. 复杂性

随着技术的进步，我们可以越来越精确地处理材料，这预示着前所未有的对材料纳米和微观结构的控制。具有各种复杂几何形状和架构层次的材料其属性和行为也会大相径庭，即使材料体系是采用相同的基本构成亦是如此。这种多尺度拓扑结构可以优化吗？假设有一组组件，可实现的属性范围是多少？这种所谓的材料块问题已经从各个角度得到解决，从而产生出可以基于结构进行调整的超材料。

这五大主题并没有涵盖材料科学的所有范畴，亦没有包含所有重要的新兴领域，它们仅代表我的个人拙见。事实上，为了保持客观性，我甚至没有提及自己的专业知识领域 - 低维材料，如石墨烯（2D）和碳纳米管（1D）以及量子点（0D），亦未提到计算材料科学（例如，从头预测方法建模的发展），或超材料、或催化和分离材料等，不胜枚举。