1. 研究信息附加价值的信息学
现今我们可以接触到的信息量已经达到了史无前例的新高，信息产生的速度也在以指数级增长。但是，如此庞大的信息量，带给我们的迷茫和混乱要远多于它的价值，这种情况还限制了有用信息的高效使用。因此，信息组织、搜索、开发和处理方法上的创新非常重要。信息学需要能够帮助我们从庞杂无序的信息汪洋中，提取有用的信息，从而解决摆在我们面前的一系列挑战。
2. 合成生物学和代谢工程学
自然界中的生物体蕴含着巨大的潜能，生物学家在合成生物学和代谢工程学上的快速进展，使得这种潜能的开发利用成为可能。我们可以使用新的生物反应进程和生物体，来实现一些特殊的目的，比如将生物量（一切直接或间接利用绿色植物光合作用形成的有机物质）转化成化学物质、燃料或者其余材料、研发新的治疗药物或者保护人体免受伤害。
3. 绿色革命2.0：提高粮食产量和生物质的技术
绿色革命指的是，20世纪60年代起，国际农业发展组织将高产谷物品种和与之配套的施肥、灌溉等技术推广到亚洲、非洲、南美洲的部分地区，促使其粮食增产的一项技术改革活动。化学肥料是现代化学中最主要的成就之一，它能够大幅地提高农作物的产量。然而，能源、水源和土地已经无法满足全球人民对健康食品的需求了。因而，我们希望结合了生物科学和物理科学先进技术的新绿色革命，可以进一步地提高农作物产量、减小农作物生产中对环境的影响、降低生产对能源和水源的依赖和减小碳足迹。
4. 材料的纳米级设计
我们对自然资源的需求正在不断增长，因此，如何提高资源利用率就成为了一个难题。根据性能要求而研制的纳米级材料，凭借其新奇和独特的特性，显示出了引领清洁能源革命的潜力。它能够减少我们对自然能源的依赖，提高机械制造和加工效率。
5. 系统生物学以及化学和生物系统的计算建模仿真
为了提高医疗保健和生物基产品的制造水平，我们必须清楚如何才能让生物学和化学协调的“共事”。若想在设计疗法、产品材料和制造过程的时候保持高效，同时还想最低程度的影响环境，那么我们就不可忽视系统生物学和计算机建模仿真在这里面所起到的作用。
6. 将二氧化碳作为资源使用
碳是地球上生命的核心，然而，控制二氧化碳排放却成为了我们面临的最大的社会、政治和经济挑战之一。在二氧化碳处理方法中，有这么一项新兴的创造性措施，它就是将二氧化碳转变成一种资源。以纳米结构材料为基础制成的新型催化剂，有可能将二氧化碳转变成烃类和其他含碳的分子。因此，这种催化剂可以在化学工业中充当清洁剂的作用。对于石化行业来说，无论是从资金还是技术上，使用催化剂进行二氧化碳处理也比其他措施更容易接受。
7. 无线供电
在当今社会，我们身边的许多设备都需要用到电力。但是，这些设备的持续发展和使用却受到了限制，因为我们必须依靠电线将设备连入电网，或者频繁的给设备的电池充电，以保证设备的正常工作。无线电力传输就可以“解放”这些设备，这会对个人电子产品产生重大的影响，比如，我们在户外用Wi-Fi的时候就可以不用顾虑笔记本的电池问题了。
8. 高能量密度的电力系统
若我们想将下一代的清洁能源技术变成现实，那么性能更优异的电池是必不可少的。目前，已经出现了一些新兴技术，它们正在为更高级的蓄能和电力使用的实现做铺垫，这其中就包括纳米结构的电极、固体电解质和超级电容器。
9. 个性化的医药、营养品和疾病防控
全球人口数量突破70亿大关，谁都想健康长寿地生活下去。由于需求增多、资源减少、价格飙升，保证健康的传统方法已经难以维系了。好消息是，基因组学蛋白质组学和代谢组学正在为我们打开个性化医药、营养品定制和疾病防控的大门。这些学科与合成生物学和纳米技术一起，为医疗保健的革命奠定基础。若一切顺利发展，医药资源的紧张现象会得到缓解，医疗保健也会更针对个人的需求。
10. 更强的教育技术
我们需要新的技术来应对青少年教育中出现的挑战，并为他们提供知识经济中所必备的技能。在当今快速发展和紧密连接的全球化社会，这尤其重要。个性化的信息技术方法允许用户进行以学习者为中心的教育、培养批判性的思维和创造力。社交媒体、开放式课程的快速发展和网络的便捷接入，正在促进教室外的继续教育。
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