能源科学：能源科学是研究能源在勘探、开采、输运、转化、存储和利用中的基本规律及其应用的科学，其研究对象既包括自然界广泛存在的化石能源、可再生能源和新能源等，也包括由此转化而来的电能和氢能等。未来五年，重点支持节能减排领域的若干基础研究、煤的清洁高效综合利用、可再生能源低成本规模化开发利用、超大规模输配电和电网安全保障、碳捕获与封存（CCS）领域的基础研究，加强能源系统热力学、传热传质学、燃烧学、多相流热物理学、内流流体力学、电机与电器、生物电磁学、可再生能源与新能源等传统和优势学科，扶持与关注催化化学、能源化工、电力电子学、电能储存与节电等相关基础科学问题，重视能源与信息科学、地球科学、环境科学、生命科学、材料科学、管理科学以及多学科的综合交叉研究。
6. 大规模高性能科学计算。科学计算是指通过建立实际问题的模型和发展相应的计算方法，并利用强大的计算机能力，对科学和工程中的复杂问题开展数值模拟研究。随着现代科学技术各领域进入更深的层次和更广的范畴，大规模高性能科学计算已与理论和实验一起成为当今科学研究的主要手段，成为发展高新技术的重要支撑。在物质科学、生命科学、材料科学、地球和环境科学、信息科学、工程与高技术等领域中，人们有可能利用科学计算来扩展、深化甚至代替科学理论或实验研究，使许多过去难以开展或难于实现的理论研究和科学实验有可能通过计算机模拟获得新的知识。大规模高性能科学计算能力的提高能够推动相关学科的进步，带动相关信息产业的发展。
核心科学问题：科学、工程和社会经济问题数学模型建立及其理论分析；发展适合复杂问题和模型的计算方法与计算技术；提高计算精度和效率的方法；海量数据的处理方法与技术；适应高性能计算机并行计算方法；高性能计算通用软件平台建设；各类专业应用软件及数值计算软件包研制；开发科学、工程与社会经济问题的数值模拟技术及实现；支撑数值模拟技术的计算方法基础理论研究。
8. 多相复杂系统中的介尺度结构。多尺度结构是自然和工程复杂系统的共同特征，介尺度结构是决定其宏观行为的关键因素，很多领域的介尺度结构都显示出共同的规律。目前，能源与资源短缺、环境污染、气候变暖已成为全球共同关注的焦点问题，而化学反应工艺、过程和系统的量化设计、放大和优化调控是应对这些挑战的共性核心技术体系。同时由于工艺、过程和系统各层次又各自呈现动态多尺度结构，存在于这些层次的边界尺度间的介尺度结构则是发展这一核心技术必须突破的共同科学难题。这一科学问题既有解决人类面临的重大挑战的应用背景，又具突破共同科学难题的普遍意义，也呈现出化学、物理、生物、材料和信息等多领域交叉的特征。在介尺度结构方面的探索将为人类顺利解决能源、资源和环境问题奠定科学基础，并有力推动物质转化相关学科和产业研发模式由经验探索向量化仿真过渡。
核心科学问题：介尺度结构的形成机理及其存在的稳定性条件（包括对非线性热力学和统计力学的相变和多态等行为的理论分析）；介尺度结构的定量描述与行为预测（包括多尺度耦合的机理与跨尺度关联的方法以及介尺度结构与系统中的基元过程和整体行为的关系）；介尺度结构的调控方法（包括多尺度结构与反应动力学的作用机理与规律以及催化体系、反应微环境、反应器、反应工艺对介尺度结构进行调控的规律）；介尺度结构和多尺度计算理论（包括介尺度计算理论和方法以及通过问题、软件和硬件体系结构相似来实现复杂反应过程实时模拟的途径）。
9. 重大环境演化与突变的理论与方法。21世纪以来，重大环境演化和频发的自然灾害事件（如土地荒漠化、沙尘暴、洪水、滑坡、泥石流、酸雨、赤潮等）对人类社会可持续发展的影响与日俱增，已引起国际社会的高度重视。这些环境介质的运动呈现出极其复杂的变化行为，且始终伴随着流动和质量、能量输运等过程。针对与我国经济和社会发展密切相关的重大环境问题，从多学科角度加强对其中共性科学问题的研究，将不断深化对重大环境演化内在机理的认识，提高我国环境保护和治理的水平，同时将大力推动我国在复杂介质和多过程耦合的科学前沿的创新研究。
核心科学问题：环境介质多过程耦合的自然环境流动特性和物质、能量的输运与转化规律；介质特性变化对流动、变形、破坏的影响规律与模拟方法；典型环境演化发生突变的内在机理和临界条件；西部干旱环境演化的动力学理论、方法及防治措施；重大水环境问题的孕育、发生、发展规律和突变机理。
16. 节能、可再生能源利用与温室气体控制的交叉科学问题。能源问题是我国经济社会发展的长期瓶颈，是始终必须高度重视的重大问题。当前我国迫切需要解决高碳燃料的高效洁净利用、可再生能源高效低成本利用以及温室气体控制的基础理论问题，需要工程热物理、材料、化学、数理等学科的交叉，以此奠定能源科学前沿的基础。可再生能源利用与温室气体控制研究涉及电力、化工、冶金、建筑等高能耗行业，对我国转变经济发展方式和应对全球气候变化等重大问题产生直接影响，对抢占新兴能源产业的科技制高点具有重要的战略意义。因此，加强该交叉科学问题研究，注重节能减排，改善能源结构，控制温室气体排放的重大需求，为实现能源可持续发展的目标提供科学理论和方法。
核心科学问题：燃料化学能与物理能综合梯级利用原理与方法；核能利用的新概念、新材料及力学理论与方法；太阳能、风能、生物质能等可再生能源高效收集、储存和转换的基础理论；大规模能源转化过程的优化集成与多尺度调控；CO2富集、分离和转化的物理化学问题；高碳能源利用中替代燃料与动力联产，同时分离CO2的系统集成理论与方法；节能规划理论与方法，可再生能源的技术政策和产业政策优化分析。