材料基因工程通過(guò)融合高通量計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)、專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)三大技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新材料研發(fā)由“試錯(cuò)法”向“理論預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”模式的轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到降低材料研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期的目的。自2011年6月美國(guó)啟動(dòng)“材料基因組計(jì)劃”后，歐盟、日本等國(guó)迅速啟動(dòng)了類(lèi)似研究計(jì)劃。本文對(duì)國(guó)外材料基因組計(jì)劃的主要內(nèi)容、技術(shù)內(nèi)涵、科學(xué)本質(zhì)、最新動(dòng)向及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)我國(guó)材料基因工程的組織實(shí)施提出了對(duì)策建議。

     1.材料基因組計(jì)劃簡(jiǎn)介

     材料是社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，材料創(chuàng)新是各種顛覆性技術(shù)革命的核心。因此，新材料研發(fā)技術(shù)是體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平的關(guān)鍵標(biāo)志。

     在美國(guó)，材料基因（Materials Genome）這一概念由賓夕法尼亞州立大學(xué)材料系教授劉梓葵，在2002年創(chuàng)立材料基因組公司時(shí)所提出。該商標(biāo)注冊(cè)于2004年，并于2012年被授權(quán)使用。2011年6月，經(jīng)材料基因組公司和美國(guó)白宮科學(xué)與技術(shù)政策辦公室雙方同意，這個(gè)名字被“為提高全球競(jìng)爭(zhēng)力的材料基因組計(jì)劃（MGI）”所采用。

     金融危機(jī)之后，美國(guó)政府意識(shí)到制造業(yè)是提升國(guó)家安全和競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。而作為“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”的重要組成部分，MGI提出了嶄新的材料研發(fā)模式，為降低新材料研發(fā)成本，全面提高先進(jìn)材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的速度，保持并強(qiáng)化其在核心科技領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位奠定了創(chuàng)新基礎(chǔ)。

     材料基因組這個(gè)名詞的出現(xiàn)有感于人類(lèi)基因組計(jì)劃的成功，但迄今為止并無(wú)特定的科學(xué)定義，僅作為這種新型材料研發(fā)模式的代稱(chēng)。然而，對(duì)于材料基因組的內(nèi)部構(gòu)架及實(shí)施目標(biāo)則非常明確，即：通過(guò)融合計(jì)算工具、實(shí)驗(yàn)手段、專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)三大模塊，實(shí)現(xiàn)新材料研發(fā)由“試錯(cuò)法”向“理論預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)求證”模式的轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到提高材料高級(jí)科學(xué)發(fā)現(xiàn)、降低研發(fā)成本、縮短材料研發(fā)周期、支撐先進(jìn)制造和高新技術(shù)發(fā)展的目的。

     材料基因組計(jì)劃的關(guān)鍵在于計(jì)算、實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)之間的協(xié)作和共享。借力于信息技術(shù)，建立包括高通量材料計(jì)算、制備、表征、儀器裝備、數(shù)據(jù)庫(kù)、材料信息等新型共享平臺(tái)，是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代新的材料研究方法的核心內(nèi)容。

      2.美國(guó)、歐盟和日本的材料基因組計(jì)劃

     1.美國(guó)的材料基因組計(jì)劃及實(shí)施情況

     美國(guó)主要由各相關(guān)聯(lián)邦執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別就MGI計(jì)劃任務(wù)指標(biāo)展開(kāi)詳細(xì)計(jì)劃與部署。

     2012年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）宣布實(shí)施“設(shè)計(jì)材料—徹底改變未來(lái)（DMREF）”計(jì)劃，包括先進(jìn)大數(shù)據(jù)科學(xué)與工程的核心技術(shù)研發(fā)等；2014年，由NSF支持的應(yīng)用材料公司、南卡羅萊納大學(xué)、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院，以及白宮科學(xué)技術(shù)辦公室等幾家單位，共同成立了“功能材料組合方法工作平臺(tái)”。

     2012年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）致力研發(fā)適應(yīng)于MGI的新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)及新檢測(cè)工具；2013年，NIST宣布在未來(lái)5年內(nèi)資助2500萬(wàn)美元，用于建設(shè)以芝加哥為核心的先進(jìn)材料研發(fā)商業(yè)體；2014年，NIST投資2500萬(wàn)美元，集中用于新興工業(yè)部門(mén)研發(fā)與部署下一代計(jì)算工具、數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

     美國(guó)聯(lián)邦政府于2013年宣布斥資2億美元建立美國(guó)制造、輕質(zhì)、現(xiàn)代金屬三所新制造革新研究院，以及下一代動(dòng)力電子革新研究院。2015年10月底，美國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)與美國(guó)國(guó)家科學(xué)與技術(shù)政策辦公室編寫(xiě)了新版《美國(guó)創(chuàng)新新戰(zhàn)略》，在原有基礎(chǔ)上增加了材料基因組創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，以支持新材料及制造產(chǎn)業(yè)的良性運(yùn)轉(zhuǎn)。

     美國(guó)非聯(lián)邦機(jī)構(gòu)在積極推動(dòng)MGI計(jì)劃方面也發(fā)揮著重大作用。2012年，來(lái)自美國(guó)材料學(xué)科和制造領(lǐng)域的31家組織機(jī)構(gòu)，共同研發(fā)可供數(shù)據(jù)和知識(shí)共享的開(kāi)放模型，用于加速新材料發(fā)現(xiàn)、制造和商業(yè)化，創(chuàng)建共享的材料數(shù)據(jù)平臺(tái)，培訓(xùn)相關(guān)工作人員最新的材料設(shè)計(jì)/工藝知識(shí)。2013年，威斯康辛大學(xué)和佐治亞理工大學(xué)投資約1500萬(wàn)美元?jiǎng)?chuàng)建材料革新研究院，同時(shí)聯(lián)合密歇根大學(xué)共建材料革新加速網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)，以及軟材料建模與仿真“集成實(shí)驗(yàn)室”。美國(guó)高校、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和學(xué)術(shù)出版商等團(tuán)體機(jī)構(gòu)，共同建立了國(guó)家數(shù)據(jù)服務(wù)（NDS），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)便捷輸入與共享。

     數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)是MGI的一個(gè)基礎(chǔ)組成部分。2012年，麻省理工學(xué)院和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放了擁有1.5萬(wàn)相關(guān)材料的公眾數(shù)據(jù)庫(kù)；2013年，哈佛大學(xué)和IBM的科研人員建立了包含700萬(wàn)條數(shù)據(jù)的清潔能源材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)；2014年，康奈爾大學(xué)和杜克大學(xué)合力研發(fā)并提供共享的高通量材料數(shù)據(jù)庫(kù)和開(kāi)放軟件。

     計(jì)算材料學(xué)是通過(guò)實(shí)際過(guò)程模擬和輔助材料設(shè)計(jì)來(lái)加速引導(dǎo)新材料的研發(fā)。在材料模擬仿真領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)出了諸如Autodesk Simulation Network、CAE等優(yōu)秀的仿真優(yōu)化與設(shè)計(jì)工藝軟件和平臺(tái)；在輔助材料設(shè)計(jì)方面，開(kāi)發(fā)出了諸如AFLOW、USPEX、ATAT等用于高通量計(jì)算、晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，以及熱力學(xué)相圖計(jì)算的軟件或平臺(tái)。

     教育培訓(xùn)是落實(shí)MGI計(jì)劃的重要環(huán)節(jié)。2012年，以大學(xué)材料委員會(huì)（UMC）為首的33家高校，有針對(duì)性地對(duì)材料領(lǐng)域?qū)W員進(jìn)行了有關(guān)MGI知識(shí)教育培訓(xùn)；2013年，麻省理工、南卡羅來(lái)納州大學(xué)等高校開(kāi)展了網(wǎng)上免費(fèi)MGI培訓(xùn)課程；美國(guó)材料研究學(xué)會(huì)發(fā)放了高通量材料科學(xué)白皮書(shū)。

     2.歐盟的材料基因組計(jì)劃及實(shí)施情況

     受美國(guó)MGI激勵(lì)，歐盟以高性能合金材料需求為牽引，于2011年啟動(dòng)了第7框架“加速冶金學(xué)”（ACCMET）項(xiàng)目。項(xiàng)目組織了政府機(jī)構(gòu)、大學(xué)、儀器設(shè)備裝置商、材料需求企業(yè)等幾十家單位的參與，以共同開(kāi)發(fā)適用于塊體合金材料研發(fā)的高通量組合材料制備與表征方法，旨在將合金配方研發(fā)周期，由傳統(tǒng)冶金學(xué)方法所需的5～6年縮短至1年以內(nèi)。2012年，歐洲科學(xué)基金會(huì)又推出總投資超過(guò)20億歐元的“2012—2022歐洲冶金復(fù)興計(jì)劃”，將高通量合成與組合篩選技術(shù)列為其重要內(nèi)容，以加速發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用高性能合金及新一代其他材料。

     歐盟第7框架計(jì)劃下“納米科學(xué)、納米技術(shù)、材料與新制造技術(shù)”（NMP）主題研究的工作計(jì)劃，在工程納米粒子的毒性研究、納米材料的精確合成、多材料復(fù)合、自修復(fù)材料、高溫電廠用先進(jìn)材料、離岸風(fēng)渦輪機(jī)葉片材料等領(lǐng)域部署了材料的建模和設(shè)計(jì)等相關(guān)研究。

     歐洲科學(xué)基金會(huì)下的“研究網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃”設(shè)置了有關(guān)材料模擬的“材料從頭計(jì)算模擬先進(jìn)概念計(jì)劃”和“生物系統(tǒng)與材料科學(xué)的分子模擬計(jì)劃”。前者致力于開(kāi)發(fā)凝聚態(tài)材料在電子層級(jí)的“從頭計(jì)算”方法，后者關(guān)注開(kāi)發(fā)計(jì)算工具。

     3.日本的材料基因組計(jì)劃及實(shí)施情況

     日本也啟動(dòng)了類(lèi)似于材料基因組的科學(xué)計(jì)劃。日本文部科學(xué)省和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省計(jì)劃建立玻璃、陶瓷、合金鋼等領(lǐng)域的材料數(shù)據(jù)庫(kù)、專(zhuān)家?guī)?，?lái)促進(jìn)其協(xié)同創(chuàng)新能力。日本國(guó)立物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、東京大學(xué)、東北大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)均設(shè)有專(zhuān)門(mén)的材料設(shè)計(jì)與模擬研究中心或團(tuán)隊(duì)。例如，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所下設(shè)計(jì)算科學(xué)研究所，其主要研究方向有納米、能源與環(huán)境、生物等領(lǐng)域的模擬技術(shù)以及集成模擬系統(tǒng)；日本理化學(xué)研究所采用模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，在高溫鈦合金、貴金屬耐熱合金、超級(jí)鋼、納米結(jié)構(gòu)與分子開(kāi)關(guān)等領(lǐng)域開(kāi)展了深入的研發(fā)。

     3.我國(guó)的材料基因工程及發(fā)展?fàn)顩r

     1.政府部門(mén)和地方積極推動(dòng)材料基因工程發(fā)展

     我國(guó)材料界一直在關(guān)注加速材料研發(fā)的新方法。美國(guó)宣布材料基因組計(jì)劃后，我國(guó)科學(xué)家立即敏銳地捕捉到該計(jì)劃所釋放出的重要信息。在多位專(zhuān)家學(xué)者建議下，2011年7月中國(guó)工程院和中國(guó)科學(xué)院分別召開(kāi)“材料基因組”研討會(huì)，12月召開(kāi)“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”香山科學(xué)會(huì)議；2012年12月和2013年3月，中國(guó)工程院和中國(guó)科學(xué)院分別啟動(dòng)“材料基因組計(jì)劃”重大咨詢項(xiàng)目；2014年10月中國(guó)科學(xué)院向國(guó)務(wù)院報(bào)送了《實(shí)施材料基因組計(jì)劃，推進(jìn)我國(guó)高端制造業(yè)材料發(fā)展》的咨詢建議；2015年2月，中國(guó)工程院向國(guó)務(wù)院報(bào)送了《中國(guó)版材料基因組計(jì)劃》的咨詢建議。工程院和科學(xué)院的報(bào)告，得到了黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度重視和多次批示，指示盡快啟動(dòng)材料基因工程研究。

     科技部高度重視材料基因工程相關(guān)技術(shù)的發(fā)展?！笆濉逼陂g，在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）中先后設(shè)立了30余項(xiàng)與計(jì)算材料、材料制備與服役行為相關(guān)的項(xiàng)目。如2000-2015年，973計(jì)劃連續(xù)三期設(shè)立了與材料計(jì)算設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)基礎(chǔ)問(wèn)題、材料先進(jìn)制備加工共性關(guān)鍵技術(shù)的研究項(xiàng)目；863計(jì)劃中設(shè)立了“多組分材料跨尺度集成設(shè)計(jì)與精確制備技術(shù)”、“基于材料基因工程的高通量設(shè)計(jì)、制備與表征技術(shù)”等項(xiàng)目。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)對(duì)材料設(shè)計(jì)、制備與表征技術(shù)研究給予了持續(xù)的支持，大大促進(jìn)了相關(guān)基礎(chǔ)研究的發(fā)展。

     材料基因工程也得到了地方政府的高度重視。2012年后，上海大學(xué)先后多次舉辦了國(guó)內(nèi)及國(guó)際材料基因組工程學(xué)術(shù)討論會(huì)、中美材料基因發(fā)展高層論壇等活動(dòng)，得到了上海市的支持。2014年后，上海市、北京市先后成立了“上海市材料基因組工程研究院”（上海大學(xué)負(fù)責(zé)，上海交通大學(xué)等6所高校及中科院研究機(jī)構(gòu)參加）、“材料基因工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”（北京科技大學(xué)負(fù)責(zé)）；上海市政府投入3.2億元，重點(diǎn)支持上海大學(xué)等單位布局地方材料基因組工程研究與發(fā)展工作，推動(dòng)中國(guó)材料基因組計(jì)劃的實(shí)施。上海、北京等地的開(kāi)拓性工作，為我國(guó)材料基因組工程的啟動(dòng)和實(shí)施奠定了重要的基礎(chǔ)，有力地推動(dòng)了相關(guān)工作開(kāi)展。

     2.我國(guó)材料基因工程取得的主要進(jìn)展

     材料基因工程的核心內(nèi)容是借助互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，發(fā)展、融合并共享高通量材料計(jì)算、通量材料制備與表征及專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)資源。結(jié)合這一要求，我國(guó)培養(yǎng)了一批高素質(zhì)的研究人才和科研隊(duì)伍，形成了一批重點(diǎn)研究基地，取得一批具有國(guó)際影響的新材料研發(fā)和應(yīng)用成果。

     我國(guó)具備了在電子尺度進(jìn)行材料大規(guī)模第一原理計(jì)算和開(kāi)發(fā)的能力；創(chuàng)立了以虛擬結(jié)構(gòu)和數(shù)論方法為基礎(chǔ)的晶格反演方法；建立了近1000種有效的原子間相互作用勢(shì)庫(kù)，而且原子尺度的仿真模擬在國(guó)際上享有獨(dú)特的地位。

     我國(guó)主要材料研究單位開(kāi)發(fā)了一系列高通量材料制備與表征技術(shù)，在材料微觀結(jié)構(gòu)分析與高通量原位統(tǒng)計(jì)表征技術(shù)等方面處于國(guó)際先進(jìn)水平；我國(guó)在材料服役性能等效加速模擬實(shí)驗(yàn)方法與高通量表征評(píng)價(jià)技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在使用大科學(xué)裝置進(jìn)行高通量材料表征的實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究方面已經(jīng)開(kāi)始起步。

     2011年，科技部組建了國(guó)家材料環(huán)境腐蝕野外科學(xué)觀測(cè)研究平臺(tái)，積累了大量實(shí)用數(shù)據(jù)，并在三峽大壩、天宮一號(hào)等一系列國(guó)家重大工程建設(shè)中發(fā)揮了重要作用；科技部啟動(dòng)建設(shè)“國(guó)家材料科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)”，通過(guò)整合、重構(gòu)全國(guó)材料科學(xué)數(shù)據(jù)，初步建成了較為完整的材料科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。

     面向材料設(shè)計(jì)計(jì)算、先進(jìn)制備與表征、數(shù)據(jù)積累等需求，我國(guó)建設(shè)了一批重點(diǎn)研究基地。目前，我國(guó)公開(kāi)擁有P級(jí)以上計(jì)算能力的超算中心有國(guó)家超級(jí)計(jì)算天津中心、深圳中心、濟(jì)南中心、長(zhǎng)沙中心、廣州中心及東北區(qū)域超算中心等。

     3.我國(guó)材料基因工程實(shí)施面臨的挑戰(zhàn)

     材料基因組技術(shù)包括高通量材料計(jì)算、高通量材料實(shí)驗(yàn)和材料數(shù)據(jù)庫(kù)三個(gè)要素。我國(guó)在三要素各自建設(shè)以及三要素之間的協(xié)同方面，尚存在亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題：

     一是在材料多尺度建模及專(zhuān)業(yè)算法和軟件開(kāi)發(fā)上還部分落后于國(guó)外，計(jì)算軟件主要依賴進(jìn)口，在源頭上制約了我國(guó)新材料的創(chuàng)新發(fā)展。

     二是缺乏高通量材料合成制備平臺(tái)所需的并行組合芯片與專(zhuān)用設(shè)備，高通量物性表征技術(shù)滯后于先進(jìn)國(guó)家。

     三是我國(guó)的計(jì)算用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量不足以建成高通量計(jì)算專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)；材料研發(fā)缺乏數(shù)據(jù)共享機(jī)制，計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)碎片化現(xiàn)象嚴(yán)重；缺乏面向新材料發(fā)現(xiàn)的高效數(shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)分析挖掘的大數(shù)據(jù)技術(shù)。

     4.推動(dòng)我國(guó)材料基因工程實(shí)施的對(duì)策和建議

     綜上所述，我國(guó)的材料基因工程面臨著基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)不完善、關(guān)鍵技術(shù)存在瓶頸、數(shù)據(jù)資源碎片化等問(wèn)題，需要分層次、多角度地進(jìn)行推動(dòng)和建設(shè)。

     1.建立國(guó)家層面的協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)和協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制

     建議成立由科技部牽頭，由工業(yè)和信息化部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、教育部、中國(guó)工程院和中國(guó)科學(xué)院等相關(guān)部門(mén)的領(lǐng)導(dǎo)和專(zhuān)家組成“國(guó)家材料基因工程協(xié)調(diào)小組”，圍繞國(guó)家戰(zhàn)略需求，凝練共性問(wèn)題，制定技術(shù)路線圖，進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，組織實(shí)施材料基因工程。

     在運(yùn)行機(jī)制的籌劃中，應(yīng)通過(guò)體制機(jī)制創(chuàng)新，營(yíng)造有利于不同學(xué)科、不同領(lǐng)域、不同環(huán)節(jié)充分交流的環(huán)境氛圍。

     2.完善平臺(tái)建設(shè)，突破關(guān)鍵技術(shù)，培育示范基地

     構(gòu)建以應(yīng)用需求為導(dǎo)向、支持高通量計(jì)算與高效制備表征、服務(wù)于新材料創(chuàng)新的、開(kāi)放共享的集成公共平臺(tái)。

     突破材料學(xué)關(guān)鍵技術(shù)以及面向材料基因工程的數(shù)據(jù)庫(kù)和新一代信息技術(shù)，包括挖掘分析、分布存儲(chǔ)、交互協(xié)同等重要功能的大數(shù)據(jù)技術(shù)，以及計(jì)算機(jī)接口、數(shù)字綜合處理、信息物理系統(tǒng)、云計(jì)算、通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，為材料創(chuàng)新研究提供智能化數(shù)據(jù)和信息支撐。

     組建若干示范、推廣材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)的工業(yè)研究院，瞄準(zhǔn)有急迫需求和明確市場(chǎng)前景的目標(biāo)材料，形成高通量材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化示范基地。

     3.發(fā)揮國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目的引導(dǎo)作用，推廣材料研發(fā)新理念

     在國(guó)家科技計(jì)劃材料領(lǐng)域研發(fā)項(xiàng)目的組織實(shí)施中，通過(guò)設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)、重點(diǎn)項(xiàng)目等方式，引導(dǎo)科研人員投身于通用材料的高通量計(jì)算、高通量制備與表征等方向的研究。

     鼓勵(lì)、支持項(xiàng)目承擔(dān)單位借助材料基因工程的研發(fā)理念和工具技術(shù)，開(kāi)展其具體的材料研發(fā)工作。