主要研究方向：团簇的精准制备、本征性质表征和理论；团簇的动态生长、机理、结构和性能；团簇多级结构的构筑与协同效应；仿生团簇的生物功能和高效化学活性。

工程与材料科学部优先发展领域
（1）亚稳金属材料的微结构和变形机理
  主要研究方向：发展新型具有特殊性能的非晶态合金体系；复杂合金相的结构和性能研究；结构特征与表征方法；结构与热稳定性；变形机理及强化机制；脆性断裂机理及韧化；深过冷条件下的凝固行为及晶体形核和生长过程研究。
（2）高性能轻质金属材料的制备加工和性能调控
  主要研究方向：轻质金属材料（铝、镁、钛合金和泡沫金属等）合金设计、强韧化机理及组织性能调控研究；先进铸造、塑性加工以及连接过程中的工艺、组织和性能调控的基础理论研究；使役性能与防护基础理论研究；烧结金属孔结构控制基础研究。
（3）低维碳材料
  主要研究方向：低维碳材料的结构特征及其新物性的物理起因；低维碳材料中电子、光子、声子等的运动规律和机制；低维碳材料的可控制备原理与规模化制备方法；低维碳材料的新物性、新效应、新原理器件和新应用探索。
（4）新型无机功能材料
  主要研究方向：基于微观物理模型和物理图像的高温超导机理研究与应用；多铁性材料的合成和磁电耦合机理与应用；超材料的结构设计原理及其新效应器件；阻变材料的物理机制和器件忆阻行为的可调控性及原型器件研究。
（5）高分子材料加工的新原理和新方法
  主要研究方向：高分子材料加工中结构演变的物理与化学问题；高分子材料非线性流变学，以及高分子加工不稳定现象的机理；高分子材料加工的多尺度模拟与预测；高分子材料加工的在线表征方法；微纳尺度加工等新型加工方法，以及基于原理创新的加工技术。
（6）生物活性物质控释/递送系统载体材料
  主要研究方向：生物启发型和病灶微环境响应载体材料；疾病免疫治疗药物载体材料；核酸类药物载体材料及其递送系统；具高灵敏度、组织和细胞高靶向性及信号放大功能的分子探针，以及诊－治一体化的高分子载体材料及其递送系统。
（7）化石能源高效开发与灾害防控理论
  主要研究方向：实钻地层物化特性和岩石力学；油气藏开发，复杂工况管柱与管线，复杂油气工程相互作用及流动；开采条件下岩体本构关系，多相、多场耦合的多尺度变形破坏机理；极端条件下开采机器人化的信息融合与决策。
（8）高效提取冶金及高性能材料制备加工过程科学
  主要研究方向：冶金关键物化数据；选冶过程物相结构演变；反应器新原理与新流程，低碳炼铁；高效转化与清洁分离，二次资源利用，高效连铸；高性能粉末冶金材料；多场作用下的金属凝固；界面科学；冶金过程高效利用。
（9）机械表面界面行为与调控
主要研究方向：界面接触与粘着机理；表/界面能形成机理及应用；受限条件下界面行为调控；运动体与介质界面行为；生物组织/人工材料界面行为；生物组织界面损伤与修复。
（10）增材制造技术基础
  主要研究方向：高效、高精度增材制造方法；先进材料增材制造技术及性能调控；材料、结构与器件一体化制造原理与方法；生物3D打印及功能重建；多尺度增材制造原理与方法。
（11）传热传质与先进热力系统
  主要研究方向：非常规条件及微纳尺度传热的基础研究；基于先进热力循环的新型高效能量转换与利用系统；生物传热传质基础理论及仿生热学；热学探索－热质理论的微观基础及其与宏观规律的统一。
（12）燃烧反应途径调控
  主要研究方向：基于燃料设计和混合气活性控制的燃烧反应途径调控研究；非平衡等离子体燃烧反应途径调控研究；以催化辅助、无焰燃烧、富氧燃烧和化学链燃烧等新型燃烧技术为主燃烧反应途径调控研究；基于尺度效应的燃烧反应途径调控；基于物理过程控制的燃烧反应途径调控。
（13）新一代能源电力系统基础研究
  主要研究方向：新一代能源电力系统的体系架构及系统安全稳定问题作用机理（包括智能电厂和智能电网等方面）；电工新材料应用及新装备的研制、运行和服役中的相关科学问题；多种能源系统的互联耦合方式；供需互动用电、能源电力与信息系统的交互机制；系统运行机制与能源电力市场理论；网络综合规划理论与方法。
（14）高效能高品质电机系统基础科学问题
  主要研究方向：电－磁－力－热－流体多物理场交叉耦合与演化作用机理；“结构－制造－性能－材料服役行为”的耦合规律和综合分析方法；多约束条件下电机系统及其驱动控制；电机系统的新型拓扑结构、设计理论与方法、制造工艺、控制策略。
（15）多种灾害作用下的结构全寿命整体可靠性设计理论
  主要研究方向：多种灾害（地震、风灾、火灾、爆炸等）作用下的土木工程结构全寿命可靠性设计理论与方法；多种灾害作用危险性分析原理，工程结构时、空多尺度破坏规律，高性能结构体系与可恢复功能结构体系，防御多种灾害的结构整体可靠度设计理论与方法。
（16）绿色建筑设计理论与方法
  主要研究方向：建筑形体、空间、平面和构造与绿色建筑评价指标体系的耦合作用规律；不同地域绿色居住建筑模式、公共建筑和工业建筑绿色设计的原理、方法、技术体系和评价标准。
（17）面向资源节约的绿色冶金过程工程科学
  主要研究方向：外场强化下的资源转化机理和节能理论；非常规介质特别是高温熔体中强化反应传递过程的机理和调控机制；物质相互作用的特殊现象和反应机理、热力学与动力学调控机制；多因素多组元固/液/气界面结构及界面反应；反应器内及各种物理场下的化学反应、物质、能量传输的耦合机制；资源利用过程中的高效、低碳排放转化的共性科学问题。
（18）重大库坝和海洋平台全寿命周期性能演变
  主要研究方向：深部岩土破坏力学；库坝和海洋平台材料性能演变；库坝和海洋平台多相多场耦合与性能演变及灾变风险；库坝和海洋平台的实时监控与防灾减灾。

跨科学部优先发展领域
  跨科学部优先发展领域以促进基础科学取得重大突破性进展和服务创新驱动发展战略为出发点，根据我国经济社会和科学技术发展的迫切需求，凝练具有重大科学意义和战略带动作用的学科交叉问题，为制定重大项目和重大研究计划指南以及重点领域战略部署提供指导。跨科学部优先发展领域包括：着力推动我国基础研究在拓展新前沿、创造新知识、形成新理论、发展新方法上取得重大突破的领域；着力解决我国传统产业升级和新兴产业发展中深层次关键科学问题的领域；着力提升我国应对全球重大挑战能力的领域；着力维护国家安全和我国在国际竞争中核心利益的领域。
1．介观软凝聚态系统的统计物理和动力学
  介观软凝聚态系统是涉及生物、医学、数学、物理及工程科学广泛且深入的新交叉领域，它将人们对物质性质的了解从原先的原子和分子尺度延伸到介观尺度。研究软凝聚系统多级结构与复杂物理现象联系和特性，理解和控制决定介观尺度功能复杂性的原理与技术，为人类理解生命现象与过程，发展精确的诊断与医疗手段提供关键基础与新技术支撑。
  核心科学问题：软凝聚态系统维度降低与尺度减小导致的新物性与新效应，生物小系统和大脑生命过程等调控网络，活性物质相关的非平衡统计物理效应；统计物理理论与方法，量子涨落、量子相变和量子热机等以及颗粒物质、液晶、胶体和水等系统的平衡性质与结构动力学；生命信息分子（DNA、RNA）、蛋白质和细胞的力学特性、信息编码，及其相互作用的神经网络动力学；生理系统及相关疾病诊治的生物力学与力生物学机理和多生理系统耦合、跨分子－细胞－组织等层次生物力学实验和建模仿真。
2．工业、医学成像与图像处理的基础理论与新方法、新技术
  成像与图像处理是工业、公共安全、医学等领域探查不可及物件、内部结构、缺陷及损伤、病变等的基本手段。为支持典型工业及公共安全检测和重大疾病诊断与治疗的需求，聚焦研究工业、医学成像与图像处理的新原理、新方法、新手段和关键技术，实现信息获取、处理、重建、传输等，将为促进工业技术发展、探索生命机理、疾病诊断与治疗和健康器械创新发挥重要作用。
  核心科学问题：MRI、CT及PET成像的新方法，多模态光学成像，工业及公共安全、医学图像判读的基础算法；支持精准诊断和治疗的成像、图像处理与重建、建模与优化的新技术新方法，包括图像分析与处理的大数据技术等；可延展柔性电子器件的性能、器件与人体/组织的自然粘附力学机制、生物兼容性与力学交互；生物介质及非牛顿流体中本构关系与物理、生物信息传播特征研究，获取生命活性物质更详细信息的新概念、新方法、新技术。
3．生物大分子动态修饰与化学干预
  人体是由200多种共几万亿个细胞组成的复杂系统，越来越多的证据表明基因组不能完全决定细胞的状态和命运；此外，基因组本身、蛋白质组、甚至RNA和多糖也处于不断变化和化学修饰的动态过程中，组成生命体的生物大分子（蛋白质、核酸和多糖等）的动态化学修饰对生物个体发育、细胞命运调控和疾病的形成均起着决定性作用。研究生物体内生物大分子化学修饰的动态过程和机制，并对其进行化学干预和调控，对探索新的生命过程和发现新的疾病诊疗手段，均具有重要的科学意义和应用价值。
  核心科学问题：动态化学修饰（如蛋白质翻译后修饰和核酸表观遗传修饰等）调控生物大分子结构、功能及相互作用的分子机制；生物大分子动态化学修饰的生物学意义；生物大分子动态化学修饰的探针技术与检测手段；靶向生物大分子动态化学修饰的小分子干预策略；外源（化学合成）生物大分子的修饰和生物功能化。
4．手性物质精准创造
  手性是自然界的基本属性，存在于从基本粒子到宇宙的各个物质层次。手性起源的探索、手性物质的精准创造和功能的发现已经成为化学、物理、生物、材料和信息等领域的前沿科学问题；手性物质与光的特殊相互作用研究也将为手性物质的功能化提供新视野；揭示手性诱导和传递、控制和放大的本质规律，对于发展手性科学与技术的新理论、实现手性物质的精准创造并赋予其新功能具有重大科学意义，将推动解决国家在医药、材料等领域对手性物质方面的重大需求。
  核心科学问题：手性物质精准创造的高效性和高选择性；宏观手性材料制备的有序化和可控性；手性功能材料性能调控的分子基础；手性分子的生物学效应。
5.新型功能材料与器件
  新型功能材料是利用物理和化学的新现象、新效应、新规律获得具有光、电、磁、热、化学和生化等特定功能的材料，主要涉及信息材料、能源材料、生物医用材料、催化材料和环境材料等。新型功能材料与器件是材料、物理、化学、生命、医学、能源和环境等多学科交叉的前沿研究领域，是材料科学领域最活跃的研究地带，具有丰富的学科内涵有待挖掘，相关研究进展将对发展材料新技术，促进国家产业升级具有基础性的重要意义。
  核心科学问题：功能材料的新现象和新机制；功能材料及器件多层次结构的表界面调控；新型功能材料的宏量制备与缺陷控制；影响能量转换/存储材料效率的物理机制、器件模型和失效原理；信息探测、传输、计算与存储功能材料及器件的可控制备原理、稳定性及新物性、新效应的物理起因；柔性电子技术关键材料的设计制造与可靠性；催化材料功能调控机理、制备及新型催化材料设计理论和方法；高性能生物医用诊断、替换和修复、治疗、药物载体新材料的功能性、相容性和服役寿命；面向不同功能特性的材料计算基础。