获得清洁用水是衡量生活质量最根本的指标之一。如今，全球三分之二的人口每年都会在某个时段面临水资源压力，十分之一的人口无法获得清洁用水。随着人口增长，饮用水和农业用水需求也将增加。与此同时，气候变化将影响可用资源。
我们消耗地球资源的能力，必须赶不上我们提出创新解决方案的能力。科学带来希望，也是解决重大挑战的关键，无论是净化水，还是能源生产与储存、医疗保健等其他领域。科学有望满足人类的基本需求，同时推动革命性的经济增长和可持续发展。
应对这些挑战，需要多个研究领域取得科学突破，而共同的要求是设计和开发能够满足日益复杂性能要求的新材料。人类操纵材料的能力，塑造了从石器、青铜器、铁器到硅时代的文明发展历程。历史上反复试错的方法，无法帮助我们应对当今使用的复杂聚合物、蛋白质和纳米结构合金。值得庆幸的是，近年来，我们在设计和开发先进材料方面取得了重大进展，这些材料正是解决重大技术挑战所必需的。
日益复杂的材料需要精密的表征和建模工具。这些工具构成了理解材料的基础，使我们能够围绕特定性能来设计新材料。世界各国已投资建设X射线设施，例如美国布鲁克海文国家实验室的NSLS-II和瑞典的MAX-IV，以纳米尺度分辨率研究材料的性质和功能。
中子源，例如橡树岭国家实验室的散裂中子源和正在MAX-IV旁边建设的欧洲散裂中子源，利用中子探索先进材料的基本性质。超级计算机将实验获得的结构和动力学信息，与用于指导新材料设计和合成的模型结合起来。全球正在推动将计算性能提升至百亿亿次级，进一步增强建模、模拟和数据分析能力。
科学家面临的一项挑战，是如何利用这些新工具，更快地开展转化研究，以应对饮用水需求等关键挑战。
在世界许多地区，饮用水资源十分匮乏。每时每刻，世界某处都有一名新生儿因感染而死亡；感染的原因是缺乏清洁用水和环境不卫生。世界各地的研究人员正探索多种将海水淡化为可饮用水的方法，包括真空蒸馏、多级蒸馏、多效蒸馏、蒸汽压缩蒸馏和反渗透（RO）。
反渗透通常用于海水淡化过程中的一个环节，与其他一些淡化工艺相比，大幅降低了高昂的能耗和资本成本。反渗透工艺的关键是膜，这种薄膜将含盐量较高的水与含盐量较低的水分隔开。膜必须能够承受两侧的巨大压差，允许水快速通过而阻碍盐分通过，并能抵抗污垢或盐分造成的堵塞。
影响这些不同淡化方法的一项主要限制是，世界上许多地方不允许排放液态废物，要求废盐以固体形式处置。这就需要在淡化过程中增加一个步骤，从而提高整体成本和复杂性。降低整个淡化过程复杂性的方法包括改进反渗透所用的膜技术，或改进反渗透工艺本身。例如，Battelle正在开发的级联反渗透工艺结合多个反渗透阶段，并采用新方法利用中间废水，大幅降低运行压力和能耗，使回收率达到传统反渗透工艺的两至三倍。
全球科学界有责任为世界提供价格可负担、供应充足的清洁用水，推动持续的良性增长。显然，要实现这一目标，就需要不断开发先进材料。政府对研究的投入，以及对大学和国家实验室的支持，使人们得以从根本上理解材料的结构和动力学如何决定其有用特性，从而推动材料设计新时代的到来。这将使企业和非政府组织能够部署级联反渗透等技术，以应对人类迫切的需求。
