1.2　我國新材料研究的發展現狀和機遇

新材料作為國民經濟先導產業和高端制造及國防工業的重要保障，未來將成為各國戰略競爭的焦點。當前在新一輪科技革命和產業變革大勢下，全球新材料基礎研究和產業格局發生重大調整。新材料與信息、能源、生物等高技術加速融合，互聯網+、材料基因組計劃、增材制造等新技術新模式蓬勃興起，新材料創新步伐持續加快，國際競爭日趨激烈。在此大背景下，歐、美、日、俄等全球多個國家（地區）紛紛制定了與新材料相關的發展戰略，啟動了多項專項計劃，大力促進本國新材料發展。相對而言，我國新材料研究起步晚、底子薄，材料先行戰略沒有得到充分落實，核心技術與專用裝備水平相對落后，關鍵材料保障能力不足，整體仍處于培育發展階段。筆者統計了Nature和Science期刊上近5年發表的材料相關學術論文，熱點的研究領域主要有生物醫學材料、能源和催化材料、有機聚合物材料、功能陶瓷和量子拓撲材料等（圖1-1）。我國學者的貢獻量逐年增加，發文量排在美國之后，居第二位（圖1-2）；尤其是在低維材料、功能陶瓷、金屬合金和能源催化材料等領域，我國研究成果的整體水平有顯著提高（圖1-3）。但是，圖中也反映出我國與傳統強國美國仍有很大差距，原始創新依舊缺乏，引領發展能力不足，難以搶占戰略制高點。催生新興產業的新材料主要來自國外，比如，大尺寸硅片、新型顯示材料、遠紅外探測材料、中紅外激光晶體、特種光纖等光/微電子材料，現代航空、高鐵、汽車等交通業的高溫合金、輕合金、碳纖維增強樹脂基復合材料等。我國缺少引領材料自身發展的標志性新材料，包括半導體材料、超導材料、合成塑料及高分子、催化劑、液晶和聚合物、光纖等。在發揮前沿新材料引領產業發展方面，我國的自主創新能力也有待提高，迫切需要在高強度結構材料、3D打印材料、智能仿生與傳感、超材料、石墨烯等新材料前沿方向加大創新力度，加快布局自主知識產權，搶占發展先機和戰略制高點。

（1）先進金屬與合金材料

金屬材料包括鋼鐵、鎂、銅已經被許多學者進行了全方位系統的研究，應用也很成熟。近年來，航空航天、先進裝備制造、新能源、深海技術以及先進交通運輸等關鍵領域的發展對新一代高性能鋼鐵材料、先進金屬功能和結構材料以及先進金屬材料設計、制備加工和服役評價提出了迫切需求。金屬和合金領域的基礎研究將繼續推動新科技革命和對材料行為的深入理解，從而產生新的材料設備和系統。近5年在Nature和Science期刊上已發表的約20篇金屬材料相關的文章中，先進金屬材料的研究主要聚焦在理解金屬多相高熵合金的固溶效應、納米晶強化強韌新機制、高溫非晶合金和塑性變形理論研究等。其中，我國大陸學者發表的論文有8篇，表明在這些領域具有了國際領先的地位。比如，北京科技大學基于最低錯配度下獲得最大程度彌散析出和高剪切應力的創新思想，以及引入“有序效應”作為主要強化機制有效阻礙位錯對增強相顆粒的切割作用，發展了超強韌的高密度有序Ni（Al，Fe）納米顆粒強化高性能新型馬氏體時效鋼，其抗拉強度不低于2.2GPa，拉伸塑性不低于8%[1]。應變硬化是工程合金力學行為中最重要的現象，因為它保證了合金流動的非定域化，提高了拉伸延性，并抑制了災難性的力學損傷。上海高壓科學研究中心在納米金屬鎳的高壓變形中發現強度隨著晶粒尺寸減小持續提高的效應，這是由于高壓變形抑制了納米材料中的晶界滑動，并促進了起強化作用的晶體缺陷（位錯）的儲存，從而導致高壓細晶強化[2]。高壓誘導金屬強化機理的發現，極大拓展了高強度金屬材料在極端環境下的應用。中國科學院沈陽金屬研究所首次在塊體非晶態材料中實現加工硬化，顛覆了人們對非晶態材料形變軟化行為的固有認識，為開發具有均勻塑性變形能力的非晶合金及其工業應用提供了新思路和方向[3]。中國科學院沈陽金屬研究所發現低溫下由塑性變形產生的純銅或鎳中的納米級晶粒在臨界晶粒尺寸以下顯示出顯著的熱穩定性，主要因為塑性變形中部分位錯的活化使納米晶粒之間形成低角度晶界，導致納米晶晶界自動從高能態演變到低能態，從而增強熱穩定性[4]。

先進金屬材料研究的主要機遇包括：原位操作實驗表征數據的實時分析；納米孿晶材料中的變形和應力發展機制、微觀結構演變的過程和機制；航空發動機關鍵材料；下一代高性能輕質合金的設計制造及性能調控；非晶合金/高熵合金的微結構和強韌化；在相同長度和時間尺度上進行耦合實驗和計算模擬研究等。

（2）新能源和催化材料

開發清潔利用可再生的新能源是人類社會發展的一大挑戰。太陽能和鋰電池具有來源廣泛、清潔安全等優點，近年來備受青睞。在太陽能電池領域，第三代鈣鈦礦太陽能電池獲得了最快速度的發展，其光電轉換效率已超過25%，與成熟的薄膜太陽能電池如銅銦硒化鎵（CIGS）和碲化鎘（CdTe）性能相當。目前的主要研究方向包括有機組分降低環境穩定性的機制、缺陷在薄膜內的分布規律以及對性能的影響特征、如何制備大面積連續生產的鈣鈦礦太陽電池、全無機鈣鈦礦的相穩定性、鉛毒性以及鉛滲漏等問題。這些問題是鈣鈦礦電池在商業化道路上面臨的重要挑戰。應對這些挑戰，我國學者與國際同行都做出了重要的貢獻。比如，北京大學發現通過在鈣鈦礦活性層中引入具有氧化還原活性的Eu3-Eu2離子對，實現了全壽命周期內本征缺陷的消除，大幅提升鈣鈦礦太陽能電池的穩定性[5]。上海交通大學通過在鈣鈦礦薄膜表面形成強化學鍵來穩定鈣鈦礦異質結構，從而構筑了穩定的基于鈣鈦礦的異質結構。構建的異質結構可以選擇性地提取光生電荷載流子并阻止鈣鈦礦中組分的流失，從而減少對有機電荷傳輸半導體的破壞[6]。我國學者在鈣鈦礦電池領域形成了一定的研究優勢，但是在深入理解鈣鈦礦陰陽離子缺陷形成和演化機制、疊層結構等方面，與歐美國家有一定的差距。

在過去20年，中國鋰離子電池研究及產業均取得巨大進步，鋰離子電池材料體系從鈷酸鋰發展到磷酸鐵鋰、三元材料，再到高鎳和富錳體系，負極從石墨到多元碳材料、再發展到含鋰合金以至鋰金屬。我國已經成為全球最大的鋰離子電池生產地和消費地。盡管我國學者在論文發表數量和質量上位居世界前列，但是，高水平的基礎研究成果仍然欠缺。在近5年Nature和Science期刊上，美國學者發表了90%的鋰電池相關的文章，而中國學者還沒有一篇，在一定程度上體現了我們在該領域的原創結果欠缺。鋰電池的主要研究方向是高比能量、高比功率、高安全、長壽命、低成本，全固態電池、新原理輕金屬電池以及水系和空氣金屬電池。另外，新近發展的冷凍電鏡技術已應用于觀察電池材料及其界面的成分和原子結構。

催化有眾多的研究方向，最近幾年的研究熱點包括光/光電催化CO₂還原；一氧化碳（二氧化碳）加氫反應；生物質轉化多元醇、酸和酯的催化材料；高選擇性催化乙醇和烯烴等化學物質；低碳烷烴轉化低碳烯烴催化劑的研究等。我國學者高水平的研究成果主要集中在貴金屬電催化劑的結構調控和單原子催化技術（2011年中國科學家張濤院士提出的概念）。比如，北京大學報道了高端卷曲的亞納米厚雙金屬鈀鉬納米片，其在堿性電解質中有卓越的氧還原反應電催化活性和穩定性，突破了陰極反應的緩慢動力學對電化學能源轉換/存儲器件的限制[7]。蘇州大學報道了應力調控PtPb/Pt納米片核殼結構催化劑具有非常優異的氧還原活性，不僅可以作為燃料電池陰極氧還原催化劑，還可以被用來催化陽極反應[8]。

新能源和催化材料研究的主要機遇包括：研發新型高轉換效率的太陽能電池材料；解決鈣鈦礦和有機電池的穩定性和大規模制備問題；空間太陽能電池；高安全、高能量密度和功率密度的全固態電化學電池；能量轉換-存儲-管理一體化器件；可拉伸可彎折柔性可穿戴供能器件；固體氧化物燃料電池材料；高轉換效率的熱電材料和其他新的能量轉換方式的研發；催化材料的理論預測模型；高效催化劑適合工業生產及應用的可擴展合成方案；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等。

（3）光電信息功能材料

我國在信息功能材料與器件領域的原創研究成果日益增多，國際影響力日趨提升。特別是基于二維材料光電子器件技術和拓撲量子材料，我國在國際上已有顯著的影響力。比如，北京大學提出一種新型超低功耗的場效應晶體管，并采用具有特定摻雜的石墨烯作為一個“冷”電子源，用半導體碳納米管作為有源溝道，以高效率的頂柵結構構建出狄拉克源場效應晶體管。該技術突破了晶體管室溫亞閾值擺幅的熱發射理論極限，提供了一種能夠實現室溫下亞60mV/DEC的新原理結構；與此同時，還能保持傳統MOS晶體管的高性能，有望將集成電路的工作電壓降低到0.5V及以下，為3nm以后技術節點的集成電路技術提供解決方案[9]。復旦大學首次通過實驗在本征磁性拓撲絕緣體錳鉍碲（MnBi₂Te₄）中觀測到量子反常霍爾效應，該研究將為未來本征材料體系中拓撲物理的研究開辟新思路[10]。電子科技大學首次在高溫超導納米多孔薄膜中完全證實了量子金屬態的存在，該研究對于量子金屬起源的探索將會改變我們對量子材料的認識，將極大推動量子器件領域的發展[11]。5G通信時代讓終端對支撐材料提出了更高要求，一旦基礎性研究的成果適時地滿足終端對材料方面差異化的需求，將迅速占領市場。5G技術需要高熱導、低介電和高電磁屏蔽新材料。5G也將為半導體材料帶來革命性的變化，隨著通信頻段向高頻遷移，基站和通信設備需要支持高頻性能的射頻器件，是GaN發揮優勢的頻段。近幾年，我國在大尺寸、低缺陷密度和自支撐GaN襯底材料的研究和產業化應用方面取得了長足的進步，使得GaN有望成為5G基站建設的重點材料之一。我國非線性光學晶體及其應用方面占國際領先地位，我國發展的深紫外非線性光學晶體及其全固態激光器已成功用于系列深紫外科學儀器的研制，初步形成新的科學儀器系列，有可能在與科學儀器相關的產業中獲得重大突破。激光晶體研發基本與國際同步，發展了多種激光晶體新體系，不斷完善了各類不同要求和不同波段范圍的重大需求；光學超晶格體、復合功能晶體，特別是激光自倍頻晶體的研究和應用處于國際領先地位；我國在紫外、深紫外非線性光學晶體研究領域處于國際領先地位。發現了氟硼鈹酸鉀（K₂Be₂BO₃F，KBBF）族晶體，其是目前唯一具有深紫外直接倍頻能力的非線性晶體。2009年Nature期刊以“China's Crystal Cache”為題指出KBBF晶體是中國對科學研究的重要貢獻[12]。其他光電信息領域包括光通信、柔性可穿戴傳感器件、發光二極管、高密度超快數據存儲材料和器件，都是歐、美、日近年來非常活躍的研究領域，處于領先地位，我國緊跟國外技術的發展方向，處于追趕階段。

光電信息功能材料研究的主要機遇包括二維材料及其多層異質結構的大面積可控增長和新電子態探索；更高功率密度與效率和更小占位面積的新型電子材料和器件；寬禁帶半導體材料技術；高效、低成本、長壽命和可綠色加工的高性能有機光電材料及其相關配套材料（如封裝材料等）；印刷電子制造技術；多功能電子皮膚；大尺寸、高質量（硅、激光）晶體生長，加工設備及檢測方法；用于晶體生長及加工的高純原材料等。

（4）先進結構陶瓷材料和復合材料

先進結構陶瓷材料和復合材料是工業和基建所必需的基礎材料，在國家安全、國民經濟建設、環保與可持續發展等方面占有極為重要地位，為相關領域提供了重要支撐。國外在先進結構陶瓷發展中處于領先地位，其中，美國先進陶瓷在航空航天、核能等領域的應用處于領先地位；日本在先進結構陶瓷材料的產業化、民用領域方面占據領先地位，并占有世界一半的市場份額；歐盟在機械裝備領域處于領先地位；俄羅斯、烏克蘭在結構陶瓷和陶瓷基復合材料方面實力雄厚。國內的先進結構陶瓷體系不斷拓展，制備技術不斷豐富與進步，應用領域也從單一的軍事、航空航天推廣到環保、新能源、電子信息等更為廣泛的民用市場，陶瓷材料也從結構陶瓷、功能陶瓷向結構-功能一體化方向發展。

粉體的特性對先進陶瓷后續成型和燒結有著顯著的影響，特別是影響陶瓷的顯微結構和機械性能。高性能陶瓷粉體行業長期被日本、歐美公司所壟斷。我國的陶瓷粉料制備技術仍相對落后。例如，高純氧化鋁粉，日本99.99%氧化鋁粉燒結溫度只需1300℃，而國內需要到1600℃以上；高純氮化硅粉仍受到日本UBE和德國H.C.Stark的限制，國內在粉料質量上仍存在較大的波動。同時，粉體的高效分散技術也存在較大差距。我國在氧化物陶瓷粉體方面取得了長足進步，基本可以滿足耐磨蝕件、密封件、光纖套管等陶瓷產品的需要，但在高端應用領域對粉體純度和粒徑有更高的要求，國產粉體依然存在較大的差距。在非氧化物粉體方面，國產氮化硅、氮化鋁和碳化硅等關鍵陶瓷粉體與國外差距更加明顯，在航天用輕量化碳化硅光學部件、艦船用大型高強度高韌性碳化硅密封部件、核反應堆用碳化硼中子吸收部件、高硬度碳化硼防彈裝甲部件、電子領域用高熱導高絕緣氮化鋁、LED照明用高效氮化硅基熒光粉等領域只能依賴進口粉體。我國粉體質量較低的原因主要是對粉體制備的內在科學機理了解不夠，阻礙品質提升，而且產學研結合沒有正確銜接。

我國航空航天領域對連續氧化物纖維已有迫切的應用，受限于國內技術水平，只能采用進口纖維。國內連續氧化鋁纖維研究起步較晚，起點較低，雖近年來上海硅酸鹽研究所、山東大學等開展了連續氧化鋁纖維工程化制備研究，取得一定的研究成果，但尚無法生產出高性能連續氧化鋁纖維。另外，建立先進纖維增強陶瓷基復合材料與特殊構件極端服役環境下的性能檢測與表征技術平臺勢在必行。西北工業大學在熱解碳織構C/C復合材料制備及其抗氧化/燒蝕涂層研究方面有較高的研究水平，創立了多種高性能涂層體系，已在航天、航空的多個高新裝備型號中應用，防護性能達到國際先進水平。哈爾濱工業大學在超高溫陶瓷基復合材料的強韌化與抗氧化協同等前沿方向開始進入國際前列，逐步邁向從量的積累向質的飛躍、從點的突破向系統能力提升的重要轉變。在超硬材料領域，燕山大學建立了共價材料硬度的系統理論，解決了硬度定量預測這一難題；合成出硬度超過了天然金剛石的納米孿晶結構超硬材料，有望在先進超硬工具、科學儀器及其相關產業上獲得重大突破。在開發超硬材料功能性方面的應用，國外已經取得很好的進展，而國內幾乎還是空白，因此，加大超硬材料功能性的應用研究，是我國超硬材料未來重點研究的方向。

先進結構陶瓷和復合材料研究的主要機遇包括：高性能陶瓷粉體的制備；高熵陶瓷的計算、制備和形成機制研究；高性能連續纖維的相變和結晶結構調控；在高性能纖維增強材料的成分組成上創新，使其具有更強的定制性和多功能性；極端環境用纖維增強陶瓷基復合材料制備及服役評價和檢測；高導熱氮化硅陶瓷基片研究；非晶陶瓷的制備、晶化、形變和斷裂機制；將缺陷作為材料設計的新維度，理解晶界相演化與晶相演變，3D 打印增材制造用特種陶瓷粉體及其制備技術；確定制造陶瓷的節能工藝，生產更致密和超高溫的陶瓷；高性能陶瓷纖維及復合材料等。

（5）功能陶瓷

我國功能陶瓷的研究隊伍規模在不斷壯大，論文產量和質量都有較大的提高，在某些領域處于國際領先。在超導領域，目前的研究熱點是鐵基超導體的拓撲和其他新電子態，石墨烯和其他二維材料體系的超導態，以及高壓下氫化物的室溫超導探索等。我國在超導材料的研發與結構性能的關系研究中具有國際先進的研究水平。比如，復旦大學首次提供直接實驗證據，證明了二維極限下的單層銅基超導體具有和塊體銅基超導體相同的超導特性，該項研究為單層銅氧化物作為研究2D高溫超導性和其他強相關現象提供了一個新平臺[13]。中科院物理所利用極低溫-強磁場-掃描探針顯微系統首次在鐵基超導體中觀察到了馬約拉納零能模，即為馬約拉納任意子，該成果對構建穩定的、高容錯、可拓展的未來量子計算機的應用具有極其重要意義[14]。我國在鐵電壓電領域，特別是無鉛壓電，以及近幾年在鐵電壓電的新功能探索，包括透明和柔性，具有國際領先地位。比如，西安交通大學采用無損傷剝離法合成了鈦酸鋇（BaTiO₃）鐵電薄膜。該BaTiO₃膜可以在180℃下進行折疊試驗，顯示出更高的彈性和超柔軟性。這種超柔性鐵電膜可以實現許多應用，如柔性傳感器、存儲器和電子皮膚[15]。西安交通大學利用交變電場來極化PMN-PT鐵電晶體，從而完全消除了對光有散射作用的鐵電疇壁，從而獲得了兼具高壓電系數、高電光系數和理論極限透光率的鐵電晶體材料。透明壓電晶體將有效地推動聲-光-電多功能耦合器件的設計與開發[16]。清華大學在相場模擬方法指導下，構筑了無鉛的BiFeO₃-BaTiO₃-SrTiO₃固溶體薄膜，該薄膜在保持較高極化的同時獲得了最小的磁滯回線，其能量密度高達112J/cm3，能量轉化效率達約80%[17]。在超構材料研究中，相比于不少國家相對分散的發展模式，我國在超材料領域的發展模式則更加聚焦和有力，已分別在863計劃、973計劃、國家自然科學基金、新材料重大專項等項目中對超材料研究予以立項支持。在電磁黑洞、超材料隱身技術、介質基超材料以及聲波負折射等基礎理論研究方面具有研究特色和國際影響力。近幾年，我國在超材料的微結構加工和應用方面也取得了長足進步。另外，我國在新型二維鐵磁材料的制備、室溫鐵磁性和非線性光學特性等方面，近年來取得了一系列原創性研究成果。

功能陶瓷材料研究的主要機遇包括：鈣鈦礦型高性能無鉛壓電與鐵電陶瓷材料的多層次跨尺度調控；高性能憶阻材料、器件結構設計與性能提升，仿神經突觸憶阻器件的新架構和新機制；超構材料的結構設計及其新效應，研發主動微波和太赫茲波段超材料和器件，并實現與常規材料的無縫融合；磁性材料的“磁振子玻色愛因斯坦凝聚”等新集體自旋模式，非鐵金屬制備的反鐵磁體材料；高溫超導材料實用化制備科學、大面積高品質高溫超導體薄膜制備技術、新型高溫超導材料探索；具有拓撲特性的新型功能材料探索；以“按需設計材料”為目標的材料設計等。

（6）低維碳材料

我國在低維碳材料領域的研究起步早，在開展碳納米管的手性控制、提純、排列組裝、宏量制備和譜學表征方向有獨特的優勢，其應用主要集中于儲能、透明電極和場效應晶體管等方面。比如，北京大學提出了一種利用碳納米管與催化劑對稱性匹配的外延生長技術制備碳納米管，為單一手性單壁碳納米管的可預測生長提供了新方案，為碳基電子學的發展奠定了基礎[18]。北京大學另一團隊研制出高性能5nm柵長碳納米管CMOS器件，這是世界上迄今最小的高性能晶體管，綜合性能高于目前最好的硅基晶體管，接近理論極限。其工作速度3倍于英特爾最先進的14nm商用硅材料晶體管，能耗卻只有硅晶體管的1/4[19]。作為低維碳材料的另一種形式，石墨烯以其良好的光、電、熱和力性能，在電子信息、新材料、新能源、生物醫藥等領域具有廣闊的應用前景。在石墨烯的應用研究方面，美、歐、日、韓等聚焦在石墨烯功能器件研發和產業化應用。歐美在石墨烯制備技術，復合材料、核心電子元件等應用產品保持領先，亞洲尤其是中國已形成新能源、大健康、復合材料、節能環保等優勢。在基礎研究方面，近5年在Nature和Science上發表了約70篇石墨烯相關的論文，主要的研究方向是雙層石墨烯的魔角光電性質、多層和超晶格石墨烯的新奇性質、石墨烯異質結、能帶結構和量子態等基礎物理問題，這也是歐美學者關注最多的領域。這些基礎物理問題的深入研究對于石墨烯將來在高端技術領域的應用至關重要，這樣極為深入的原創基礎研究成果是我們欠缺的，盡管我國學者在石墨烯基礎研究方面也做出了重要貢獻，比如，中國科學院物理研究所主要涉及石墨烯的可控制備、物理性能和器件測試；清華大學重點關注石墨烯的宏觀制備及其應用、特別是石墨烯基超級電容器的組裝，以及石墨烯/碳納米管復合結構的非催化合成和場發射特性等；廈門大學主要圍繞石墨烯在輻射增強拉曼光譜中的應用；北京大學主要關注石墨烯單晶晶圓的制備和轉移技術等。

低維碳材料研究的主要機遇包括：晶圓尺寸電子級低維碳材料的制備方法；雙層旋轉魔角石墨烯的新奇物理性質；基于低維碳材料的器件和電路設計、加工與集成技術，實現中等到大規模碳基數字集成電路；低維碳材料的宏量制備、功能化、有序化及其他組裝方法和產業化關鍵技術；突破低維碳材料在儲能、催化和柔性電子等領域應用的關鍵技術等。

（7）聚合物、生物醫學和其他軟物質材料

聚合物和軟物質在環境、能源、通信信息和健康等領域已發揮著重要的作用。近幾年，我國在聚合物領域的基礎研究主要體現在提高能量存儲器件的安全性和效率，包括固態電解質、全有機電池和用于液流電池的氧化還原聚合物；用于能量轉換的聚合物，包括有機光伏LED；柔性可穿戴系統；提高聚合物和有機半導體器件中載流子遷移率；聚合物晶體管；增材制造技術；基于聚合物的組織工程等。賦予材料全新的生物結構與功能活性，使其具有良好的生物相容性、生物安全性及復合多功能性，已成為生物醫學材料發展重要的方向。現有的生物醫學材料應用已取得了一定的成績，但是面對臨床應用表現出來的生物相容性差、使用壽命短及長時間功能缺失等問題仍無法解決，更是無法滿足當代臨床醫學對組織及器官修復、個性化和微創傷治療的需求。新一代生物活性材料是目前生物材料研究的熱點，包括具有“主動修復”和“生物響應調控”功能、充分調動人體自修復能力、再生和重建被損壞的組織或器官，或恢復和增進其生物功能。弄清材料的物理化學信號和細胞生物學信號的相互作用機制將有助于揭示生物材料最根本的生物相容性問題，這也是整個生物材料的科學基礎。我國在這一領域的研究水平處于國際先進行列。近年來我國生物醫用高分子材料領域得到了快速的發展，在基礎研究和產業化方面均取得了許多重要成果，開發出聚乳酸、醫用導管、高分子納米藥物等具有自主知識產權的技術及產品。與國際先進水平相比，我國在植入材料、藥用高分子輔料等領域仍存在差距，在基礎研究方面缺乏原創性發明和發現。

生物材料研究的主要機遇包括：生物高分子材料和陶瓷生物材料、用無機粉末的增材制造技術、生物分子材料性能的提升及糖化學；超分子組件中的結構控制、水凝膠材料中水的組織和動力學、納米結構內多個生物信號的精確空間定位方法；軟物質的自主行為以及掌握具有與肌肉骨骼組織相當性質和功能的合成材料的制造方法；高分子診斷材料；植介入材料的血液相容性與抗菌性；藥用高分子材料；生物醫用高分子的合成、修飾關鍵技術等。