2021年10月，美国能源部（DOE）发布《美国能否在基础能源科学领域保持竞争力？——关键研究前沿与战略》报告^[1]，考察了美国在基础能源科学关键研究领域、主要研究设施和工具以及资助机制方面的竞争力，重点评估了能源应用科学、能源和信息科学、可持续工业相关科学、量子信息科学和先进研究设施等5个关键研究领域的竞争力。

一、基础能源研究的关键领域

1、量子信息科学，包括量子计算、量子通信、量子模拟和量子传感。这四大支柱在基础能源科学领域中都有许多科学应用。量子计算和量子模拟的方法学发展将大大扩展理解和控制非平衡系统动力学的能力，包括预测强关联电子系统的能量学和动力学，这是理解化学反应和催化行为以及生物学中酶和光合系统的一项重要任务。用于计算和模拟材料的量子算法，使得凝聚相系统的基础研究具有超越经典计算机的能力。利用纠缠和压缩等量子概念可以显著提高测量精度。量子光子技术为成像和生物光电子学带来了新的机遇。

2、能源应用科学，包括储能、膜、界面和可持续燃料。对电池的新的基础理解，包括恶劣条件下电子、原子和离子在材料中的迁移，研究新的电化学转化，关注复杂动态界面的表征和理解，以及发现电池组件的新材料（阳极、电解质和膜）等，将推动未来电能存储技术的深刻进步，例如更高的能量密度、效率、可靠性和可持续性，更好地改善人类生活质量，实现太空旅行等不可预见的目标。能源的生产、收集和储存过程和装置需要多种不同的膜，膜的研究聚焦密闭空间中扩散的基本原理，开发和合成能承受电池和燃料电池中恶劣条件的新型聚合物，对离子和目标物种具有选择性亲和力的材料成分，具有防污性能的表面等。

3、能源和信息物质，包括量子材料、介观科学、纳米科学和神经形态计算。摩尔定律正在失效，晶体管尺寸的缩小已经达到了极限。未来技术的发展方向尚不确定，但量子材料很可能是其中一环。量子材料为科学技术开辟了巨大的可能性，每十年左右发现一类新的电子材料或控制材料中电子性质的新方法，这使得量子材料成为美国必须保持竞争力的领域之一。

4、促进可持续发展的工业相关科学，包括聚合物的化学升级再造、电催化、碳捕获和变革性制造。聚合物的化学升级再造旨在通过更便宜、更便利地使用升级再造材料制造更高价值产品，从而大幅减少制造新聚合物材料的需求，这一跨学科挑战将推动化学催化、界面现象和聚合物科学的进展。电化学的基础研究目前正在解决将燃料转化为电能所面临的挑战，包括从理解化学过程到创造新材料，这一领域的工作将为实现交通电气化、日用化学品的可持续生产以及太阳能利用提供新的途径。

竞争力分析：对上述4个关键领域前20%高被引论文的分析清楚表明，美国正在输给外国竞争对手，甚至在某些情况下已经落后。在分析前5%高被引论文时，美国的相对地位有所提高，但定性趋势仍然相似。例如，在新兴的量子信息科学领域，欧盟显然处于领先地位，中国和美国紧随其后。在其他研究领域，中国正在成为世界领先者。这些领域领导地位的变化对应着中国研究投资的快速增长和美国研究投资的持平，这表明关键领域的投资对领导地位有重大影响。

5、先进研究基础设施，包括同步加速器和自由电子X射线源、反应堆和散裂中子源、电子显微镜设施、纳米级研究中心和高性能计算。

竞争力分析：通过高被引论文分析这些设施的使用情况，结果表明，设施的使用因各个子领域而异，而地理位置的接近是设施使用的主要决定因素。尽管如此，美国在量子材料等特定研究领域的设施仍保持卓越地位，因为世界各地的研究人员对其广泛的使用。

X射线同步加速器发展迅速。过去20年，这些设施中的实验站在全球范围内翻了一番，达到875个，而美国的实验站数量基本保持不变，为186个。其结果是美国的产能严重受限，限制了研究进展，并使外国设施更具吸引力。目前的同步加速器升级将暂时恢复美国在光源亮度方面的领先地位，但该领先地位仅能保持到其他新的国外设施完工之前。

美国建造了世界上第一座X射线自由电子激光设施，目前正在扩建和升级该设施，以确保至少在短期内的技术领先地位。欧盟也在升级其X射线自由电子激光设施并扩大其实验站；中国正在建设的X射线自由电子激光设施，将提供与美国类似的技术质量，但有更多的实验站和用户容量。

美国在散裂中子源方面也有可能落后，因为欧洲正在建设中的新设施和扩大的实验站。此外，由于美国高通量反应堆中子源需要升级或更换，因此，反应堆中子源的领导地位也面临风险。

二、走向成功的战略

提高美国基础能源科学竞争力势在必行，报告建议了四大战略。

1、增加对基础能源科学研究的投资，包括在大学和国家实验室部署研究项目、先进的研究设施和仪器。

2、将对职业早期和中期科学家的支持提升到与其他领先项目相当的水平，以便更好地吸引和留住人才。

3、为高级研究机构的科学家提供更多机会，为他们的科学事业提供更多发展空间，留住人才，使其为仪器开发和设施改进释放创造力。

4、更好地整合能源科学研究，从基础研究到应用研究再到产业研究。

三、建议

1、加强对先进科研基础设施的投资，包括实验室和大型仪器，以增强美国的竞争力。

2、在发展世界领先设施的必要性以及获得现有设施和技术支持的必要性之间取得平衡，以提高研究影响，有助于留住有才华的科学家。

3、建立机制以大幅提高对所有职业阶段科研人员的资助，创造一条更加可持续的职业发展道路，从而增强美国的人才竞争力。

4、在计算和数据分析方法以及计算机硬件和架构方面给予额外投资，这将在基础研究和未来应用方面产生重大潜力。

5、加强选定领域的国际合作，有可能提高美国的竞争力。

6、促进基础研究、应用启发（use-inspired）的研究、应用研究和产业研究之间的互动，可加快基础研究向有利于社会、有影响力的技术的转化。                                             （黄龙光）