材料基因組技術(shù)是一種貫穿材料“發(fā)現(xiàn)-研發(fā)-生產(chǎn)-應(yīng)用”全生命周期過(guò)程的工具技術(shù)，具體包含了高通量材料計(jì)算、高通量材料實(shí)驗(yàn)、材料數(shù)據(jù)庫(kù)三大要素平臺(tái)的建立以及協(xié)同融合使用。三大平臺(tái)將與現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)框架無(wú)縫銜接，通過(guò)理論模擬和計(jì)算完成先進(jìn)材料的“按需設(shè)計(jì)”，這種顛覆性的改變，在短期內(nèi)可將材料周期至少縮短一半，成本降低一半，即材料基因組技術(shù)是材料開(kāi)發(fā)的“加速器”。這是當(dāng)今國(guó)際材料領(lǐng)域正在發(fā)展的一種新型的、系統(tǒng)性的、高效率的材料研發(fā)方法，預(yù)計(jì)將會(huì)引發(fā)一系列技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)模式變革。

    一、美國(guó)材料基因組計(jì)劃發(fā)展背景

    現(xiàn)階段，從新材料的發(fā)現(xiàn)到最終工業(yè)化應(yīng)用一般需要10~20年的時(shí)間，新材料的研發(fā)模式主要依據(jù)研究者的科學(xué)認(rèn)知和大量重復(fù)的“嘗試法”實(shí)驗(yàn)。美國(guó)、歐洲等在材料領(lǐng)域具備先發(fā)優(yōu)勢(shì)的國(guó)家逐漸意識(shí)到這種傳統(tǒng)材料研究方法已跟不上其工業(yè)快速發(fā)展的需求。革新材料研發(fā)方法，加速材料從研發(fā)到應(yīng)用的進(jìn)程成為各國(guó)共同的需求。

    近十幾年來(lái)，美國(guó)對(duì)于材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法研究持續(xù)進(jìn)行了巨大投入，發(fā)展出一系列的先進(jìn)材料研發(fā)實(shí)驗(yàn)工具，包括先進(jìn)的高通量材料制備與表征方法與技術(shù)。基于這個(gè)前提，美國(guó)在2011年提出了材料基因組計(jì)劃（MaterialsGenomeInitiative，MGI），意在通過(guò)結(jié)合使用計(jì)算能力、數(shù)據(jù)管理和新的綜合性方法，使這些先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)工具發(fā)揮更大的效能。2012財(cái)年，奧巴馬拔出1億美元?？钪С謫?dòng)這項(xiàng)計(jì)劃。

    二、美國(guó)材料基因組計(jì)劃的目標(biāo)

    材料基因組計(jì)劃是2011年先進(jìn)制造業(yè)伙伴計(jì)劃中的重要子計(jì)劃，匯聚了美國(guó)多個(gè)部門的資源。該計(jì)劃主要包括三個(gè)目標(biāo)。

    一是開(kāi)發(fā)一種全新的材料創(chuàng)新架構(gòu)，通過(guò)新材料研制周期內(nèi)各個(gè)環(huán)節(jié)的彼此銜接，加速美國(guó)材料技術(shù)的進(jìn)步，提升其先進(jìn)制造業(yè)能級(jí)，保持美國(guó)在核心科技領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)和全球的競(jìng)爭(zhēng)力。

    二是利用高級(jí)材料實(shí)現(xiàn)國(guó)家目標(biāo)，包括國(guó)家安全相關(guān)材料、人類健康和福利相關(guān)材料和清潔能源系統(tǒng)相關(guān)材料。1、國(guó)家安全相關(guān)材料。包括輕質(zhì)保護(hù)材料、電子材料、儲(chǔ)能材料、生物替代材料、稀土關(guān)鍵材料等。2、人類健康和福利相關(guān)材料。從生物相容性材料到防受傷的保護(hù)材料設(shè)計(jì)（如假肢或人工器官）。3、清潔能源系統(tǒng)相關(guān)材料。如生物燃料催化劑、直接從陽(yáng)光產(chǎn)生能量的人工光合作用、高效的太陽(yáng)能光伏、便攜式能源存儲(chǔ)設(shè)備等。

    三是培養(yǎng)新一代的材料研究工作團(tuán)隊(duì)，在先進(jìn)材料研究中形成更加開(kāi)放、協(xié)作的氛圍，培育大團(tuán)隊(duì)協(xié)作性的網(wǎng)絡(luò)，強(qiáng)化“官產(chǎn)學(xué)研用”之間的協(xié)作與共享機(jī)制，類似于我國(guó)提出的“協(xié)同創(chuàng)新”。

    三、美國(guó)材料基因組的行動(dòng)計(jì)劃

    美國(guó)材料基因組的行動(dòng)計(jì)劃見(jiàn)下表。

    四、啟示與建議

    美國(guó)材料基因組計(jì)劃具有重要的借鑒作用，我國(guó)和上海發(fā)展材料基因組工程可從以下三個(gè)方面著手：

    一是加強(qiáng)材料基因組技術(shù)理念的宣傳推廣。科技等相關(guān)部委有必要定期組織研討會(huì)講座等形式的活動(dòng)，介紹推廣這一先進(jìn)材料研究理念和方法，營(yíng)造有利于不同學(xué)科、不同領(lǐng)域、不同環(huán)節(jié)充分交流的氛圍，協(xié)同創(chuàng)新。

    二是盡快建設(shè)具有國(guó)際領(lǐng)先水平的材料基因組技術(shù)平臺(tái)。大型硬件平臺(tái)需要國(guó)家盡快投入，建成國(guó)家級(jí)設(shè)施，以公共資源的形式向全社會(huì)提供服務(wù)。另一方面，為推廣高通量材料實(shí)驗(yàn)方法，在發(fā)展初期按照材料形態(tài)分類建立少量制備與表征的實(shí)驗(yàn)技術(shù)推廣中心或示范平臺(tái)。

    三是充分發(fā)動(dòng)各領(lǐng)域材料研發(fā)人員應(yīng)用材料基因組技術(shù)和平臺(tái)快速研發(fā)工業(yè)發(fā)展亟需的關(guān)鍵新材料。如在重大專項(xiàng)、基金項(xiàng)目、軍工等項(xiàng)目指南中建議項(xiàng)目申報(bào)單位盡可能采用材料基因組的研究方法。

    延伸閱讀：美國(guó)材料基因組計(jì)劃實(shí)施的一系列舉措

    近些年以來(lái)，該計(jì)劃從起步階段僅有4家聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、6 300萬(wàn)美元投資，到現(xiàn)在數(shù)以億計(jì)的資金，以及全美的大學(xué)、企業(yè)、專業(yè)團(tuán)體、科研人員廣泛加入，共同致力于材料科學(xué)與創(chuàng)新領(lǐng)域的發(fā)展。2013年6Y]24日，在MGI實(shí)施2周年之際，美國(guó)部分大學(xué)、企業(yè)、聯(lián)邦機(jī)構(gòu)及其他材料科學(xué)相關(guān)團(tuán)體等發(fā)布了2O多項(xiàng)新的承諾，旨在推動(dòng)該計(jì)劃第3年的發(fā)展。以下梳理一下該計(jì)劃實(shí)施以來(lái)，美國(guó)各界出臺(tái)的一系列舉措。

    一、高?；I建相關(guān)研究所和數(shù)據(jù)庫(kù)，并開(kāi)設(shè)相關(guān)課程

    在計(jì)算材料科學(xué)、數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)工具開(kāi)發(fā)、材料合成與表征等方面官一產(chǎn)一學(xué)合作的基礎(chǔ)上，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校工程學(xué)院計(jì)劃先期投入500萬(wàn)美元建設(shè)威斯康星材料創(chuàng)新研究所。這個(gè)跨學(xué)科的技術(shù)樞紐中心將為材料研究團(tuán)隊(duì)提供基礎(chǔ)設(shè)施、開(kāi)創(chuàng)研究人員協(xié)同機(jī)制，并有望在創(chuàng)新方法、材料、新科學(xué)方向等方面夯實(shí)美國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

    二、相關(guān)材料學(xué)會(huì)建立論壇及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，并開(kāi)展問(wèn)卷調(diào)查

    2012年4fl，由美國(guó)礦物、金屬和材料學(xué)會(huì)（TMS）領(lǐng)銜開(kāi)設(shè)了MGI網(wǎng)絡(luò)論壇，成員機(jī)構(gòu)包括美國(guó)陶瓷學(xué)會(huì)（A CerS）、美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)（ASCE）、國(guó)際汽車工程師學(xué)會(huì)（SAEInternationa1）、材料信息學(xué)會(huì)（ASMInternationa1）、美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）、大學(xué)材料委員會(huì)（uM C）、材料研究學(xué)會(huì)（MRS）、美國(guó)國(guó)家腐蝕工程師協(xié)會(huì)（NACE）、美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)（AIChE）、美國(guó)材料與過(guò)程工程促進(jìn)會(huì)（SAMPE）和美國(guó)采礦、冶金與勘探協(xié)會(huì)（SME）等。各成員單位將不定期發(fā)布各自有關(guān)MGI的會(huì)議、出版物、培訓(xùn)、新聞等各類活動(dòng)。2012年11月，美國(guó)材料信息學(xué)會(huì)創(chuàng)立了計(jì)算材料數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Computational Materials DataNetwork）。總部位于馬里蘭州的管理及技術(shù)咨詢服務(wù)商N(yùn)exight Group公司承擔(dān)該網(wǎng)絡(luò)在初創(chuàng)階段的數(shù)據(jù)收集、發(fā)布、管理等事務(wù)，并就加工工藝材料數(shù)據(jù)、航空結(jié)構(gòu)材料數(shù)據(jù)、國(guó)家材料研究數(shù)據(jù)庫(kù)等試驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)展小規(guī)模調(diào)研。該網(wǎng)絡(luò)還組建了由來(lái)自聯(lián)邦部門、行業(yè)學(xué)會(huì)、研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)等的專家組成的材料科學(xué)與工程領(lǐng)域咨詢團(tuán)隊(duì)。

    三、聯(lián)邦機(jī)構(gòu)設(shè)置諸多項(xiàng)目推

    進(jìn)MGI在MGI實(shí)施過(guò)程中，主要有能源部、商務(wù)部、國(guó)防部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)通過(guò)項(xiàng)目申請(qǐng)、成立新研究機(jī)構(gòu)等途徑開(kāi)展相關(guān)項(xiàng)目的資助，同時(shí)，與私營(yíng)企業(yè)等開(kāi)展合作加速材料發(fā)現(xiàn)與開(kāi)發(fā)。具體來(lái)看：

    1.能源部聯(lián)合高校及企業(yè)搭平臺(tái)、建新所

    2.商務(wù)部組建卓越研究中心

    3.國(guó)防部門開(kāi)展數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施及結(jié)構(gòu)材料合作研究

    4.國(guó)家科學(xué)基金會(huì)研究設(shè)施助力MGl

    四 MGI對(duì)我國(guó)的借鑒意義

    新材料的發(fā)展長(zhǎng)期以來(lái)采用的是通過(guò)以經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)“炒菜”式實(shí)驗(yàn)來(lái)摸索，并給予確認(rèn)的研究模式。這種模式的效率很低，已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)前世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求，而且需耗費(fèi)大量的資源、能源和人力，非常不經(jīng)濟(jì)。新材料的研究應(yīng)用時(shí)

    間跨度非常長(zhǎng)，從設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化、表征到集成，應(yīng)用、首次投入市場(chǎng)，往往需要10～20年的時(shí)間。此外，各個(gè)環(huán)節(jié)的研究工作團(tuán)隊(duì)“單打獨(dú)斗”，缺乏合作及數(shù)據(jù)共享，也是新材料發(fā)展的一大障礙。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，按需設(shè)計(jì)材料、精確控制性質(zhì)已成為先進(jìn)材料發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。材料計(jì)算與模擬是實(shí)現(xiàn)我國(guó)材料科學(xué)與技術(shù)跨越式發(fā)展的有效途徑之一。為使我國(guó)材料行業(yè)擺脫跟蹤仿制的老路，順利實(shí)現(xiàn)材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)變革，應(yīng)設(shè)立若干基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，并加強(qiáng)平臺(tái)建設(shè)，開(kāi)展深入研究，開(kāi)發(fā)高級(jí)計(jì)算模擬方法及工具，助力科學(xué)發(fā)現(xiàn)，加速高性能材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，增強(qiáng)我國(guó)在材料計(jì)算模擬領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

    在國(guó)家部門層面，出臺(tái)推動(dòng)材料基因工程研究的相關(guān)政策措施和專項(xiàng)基金，輔助相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在業(yè)已取得研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展工作，推動(dòng)我國(guó)在材料計(jì)算模擬領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。在人才培養(yǎng)上，材料基因工程研究涉及材料、物理、化學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科，對(duì)從事該領(lǐng)域的研究人員提出了更加全面、嚴(yán)格的知識(shí)能力要求。我國(guó)相關(guān)高校和研究院所在培養(yǎng)專業(yè)復(fù)合型人才方面，可以借鑒美國(guó)大學(xué)在機(jī)構(gòu)（部門、實(shí)驗(yàn)室）設(shè)置、校企合作、課程安排等方面的經(jīng)驗(yàn)。在合作交流方面，需要整合力量，抱團(tuán)發(fā)展。國(guó)外在大型儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)方面很注重資源共享，我國(guó)需要不斷學(xué)習(xí)國(guó)外這種廣開(kāi)門路的精神，實(shí)現(xiàn)資源共享，避免“各自為政”、重復(fù)建設(shè)。此外，我國(guó)還可以與國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)建立合作研究、交流互訪機(jī)制。針對(duì)美國(guó)MGI，我國(guó)在2011年12月召開(kāi)了以“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”為主題的香山科學(xué)會(huì)議。會(huì)議圍繞材料基因組數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算方法發(fā)展及計(jì)算模擬軟件的自主開(kāi)發(fā)與整合、材料基因組快速測(cè)試平臺(tái)、重點(diǎn)材料的選取與示范性突破研究等議題展開(kāi)了討論。2012年l2月，由工程院領(lǐng)銜的“材料科學(xué)系統(tǒng)工程發(fā)展戰(zhàn)略研究—— 中國(guó)版材料基因組計(jì)劃”重大項(xiàng)目啟動(dòng)。相信從國(guó)家到地方一系列舉措的實(shí)施，必將大力推動(dòng)我國(guó)材料基因組研究的長(zhǎng)足發(fā)展。

責(zé)任編輯：王元

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