材料基因工程通過融合高通量計算、高通量實驗、專用數(shù)據(jù)庫三大技術，實現(xiàn)新材料研發(fā)由“試錯法”向“理論預測、實驗驗證”模式的轉變，從而達到降低材料研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期的目的。自2011年6月美國啟動“材料基因組計劃”后，歐盟、日本等國迅速啟動了類似研究計劃。本文對國外材料基因組計劃的主要內容、技術內涵、科學本質、最新動向及其未來發(fā)展趨勢等進行了簡要介紹，對我國材料基因工程的組織實施提出了對策建議。

     1.材料基因組計劃簡介

     材料是社會發(fā)展的重要物質基礎，材料創(chuàng)新是各種顛覆性技術革命的核心。因此，新材料研發(fā)技術是體現(xiàn)一個國家科技發(fā)展水平的關鍵標志。

     在美國，材料基因（Materials Genome）這一概念由賓夕法尼亞州立大學材料系教授劉梓葵，在2002年創(chuàng)立材料基因組公司時所提出。該商標注冊于2004年，并于2012年被授權使用。2011年6月，經(jīng)材料基因組公司和美國白宮科學與技術政策辦公室雙方同意，這個名字被“為提高全球競爭力的材料基因組計劃（MGI）”所采用。

     金融危機之后，美國政府意識到制造業(yè)是提升國家安全和競爭力的關鍵。而作為“先進制造伙伴計劃”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，全面提高先進材料從發(fā)現(xiàn)到應用的速度，保持并強化其在核心科技領域的優(yōu)勢地位奠定了創(chuàng)新基礎。

     材料基因組這個名詞的出現(xiàn)有感于人類基因組計劃的成功，但迄今為止并無特定的科學定義，僅作為這種新型材料研發(fā)模式的代稱。然而，對于材料基因組的內部構架及實施目標則非常明確，即：通過融合計算工具、實驗手段、專用數(shù)據(jù)庫三大模塊，實現(xiàn)新材料研發(fā)由“試錯法”向“理論預測、實驗求證”模式的轉變，從而達到提高材料高級科學發(fā)現(xiàn)、降低研發(fā)成本、縮短材料研發(fā)周期、支撐先進制造和高新技術發(fā)展的目的。

     材料基因組計劃的關鍵在于計算、實驗、數(shù)據(jù)庫之間的協(xié)作和共享。借力于信息技術，建立包括高通量材料計算、制備、表征、儀器裝備、數(shù)據(jù)庫、材料信息等新型共享平臺，是互聯(lián)網(wǎng)時代新的材料研究方法的核心內容。

      2.美國、歐盟和日本的材料基因組計劃

     1.美國的材料基因組計劃及實施情況

     美國主要由各相關聯(lián)邦執(zhí)行機構，分別就MGI計劃任務指標展開詳細計劃與部署。

     2012年，美國國家科學基金會（NSF）宣布實施“設計材料—徹底改變未來（DMREF）”計劃，包括先進大數(shù)據(jù)科學與工程的核心技術研發(fā)等；2014年，由NSF支持的應用材料公司、南卡羅萊納大學、美國國家標準與技術研究院，以及白宮科學技術辦公室等幾家單位，共同成立了“功能材料組合方法工作平臺”。

     2012年，美國國家標準與技術研究院（NIST）致力研發(fā)適應于MGI的新技術、新標準及新檢測工具；2013年，NIST宣布在未來5年內資助2500萬美元，用于建設以芝加哥為核心的先進材料研發(fā)商業(yè)體；2014年，NIST投資2500萬美元，集中用于新興工業(yè)部門研發(fā)與部署下一代計算工具、數(shù)據(jù)庫和實驗技術。

     美國聯(lián)邦政府于2013年宣布斥資2億美元建立美國制造、輕質、現(xiàn)代金屬三所新制造革新研究院，以及下一代動力電子革新研究院。2015年10月底，美國國家經(jīng)濟委員會與美國國家科學與技術政策辦公室編寫了新版《美國創(chuàng)新新戰(zhàn)略》，在原有基礎上增加了材料基因組創(chuàng)新技術的發(fā)展，以支持新材料及制造產業(yè)的良性運轉。

     美國非聯(lián)邦機構在積極推動MGI計劃方面也發(fā)揮著重大作用。2012年，來自美國材料學科和制造領域的31家組織機構，共同研發(fā)可供數(shù)據(jù)和知識共享的開放模型，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，培訓相關工作人員最新的材料設計/工藝知識。2013年，威斯康辛大學和佐治亞理工大學投資約1500萬美元創(chuàng)建材料革新研究院，同時聯(lián)合密歇根大學共建材料革新加速網(wǎng)絡化平臺，以及軟材料建模與仿真“集成實驗室”。美國高校、國家實驗室和學術出版商等團體機構，共同建立了國家數(shù)據(jù)服務（NDS），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)便捷輸入與共享。

     數(shù)據(jù)庫建設是MGI的一個基礎組成部分。2012年，麻省理工學院和勞倫斯伯克利國家實驗室開放了擁有1.5萬相關材料的公眾數(shù)據(jù)庫；2013年，哈佛大學和IBM的科研人員建立了包含700萬條數(shù)據(jù)的清潔能源材料性能數(shù)據(jù)庫；2014年，康奈爾大學和杜克大學合力研發(fā)并提供共享的高通量材料數(shù)據(jù)庫和開放軟件。

     計算材料學是通過實際過程模擬和輔助材料設計來加速引導新材料的研發(fā)。在材料模擬仿真領域，開發(fā)出了諸如Autodesk Simulation Network、CAE等優(yōu)秀的仿真優(yōu)化與設計工藝軟件和平臺；在輔助材料設計方面，開發(fā)出了諸如AFLOW、USPEX、ATAT等用于高通量計算、晶體結構預測，以及熱力學相圖計算的軟件或平臺。

     教育培訓是落實MGI計劃的重要環(huán)節(jié)。2012年，以大學材料委員會（UMC）為首的33家高校，有針對性地對材料領域學員進行了有關MGI知識教育培訓；2013年，麻省理工、南卡羅來納州大學等高校開展了網(wǎng)上免費MGI培訓課程；美國材料研究學會發(fā)放了高通量材料科學白皮書。

     2.歐盟的材料基因組計劃及實施情況

     受美國MGI激勵，歐盟以高性能合金材料需求為牽引，于2011年啟動了第7框架“加速冶金學”（ACCMET）項目。項目組織了政府機構、大學、儀器設備裝置商、材料需求企業(yè)等幾十家單位的參與，以共同開發(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)冶金學方法所需的5～6年縮短至1年以內。2012年，歐洲科學基金會又推出總投資超過20億歐元的“2012—2022歐洲冶金復興計劃”，將高通量合成與組合篩選技術列為其重要內容，以加速發(fā)現(xiàn)與應用高性能合金及新一代其他材料。

     歐盟第7框架計劃下“納米科學、納米技術、材料與新制造技術”（NMP）主題研究的工作計劃，在工程納米粒子的毒性研究、納米材料的精確合成、多材料復合、自修復材料、高溫電廠用先進材料、離岸風渦輪機葉片材料等領域部署了材料的建模和設計等相關研究。

     歐洲科學基金會下的“研究網(wǎng)絡計劃”設置了有關材料模擬的“材料從頭計算模擬先進概念計劃”和“生物系統(tǒng)與材料科學的分子模擬計劃”。前者致力于開發(fā)凝聚態(tài)材料在電子層級的“從頭計算”方法，后者關注開發(fā)計算工具。

     3.日本的材料基因組計劃及實施情況

     日本也啟動了類似于材料基因組的科學計劃。日本文部科學省和經(jīng)濟產業(yè)省計劃建立玻璃、陶瓷、合金鋼等領域的材料數(shù)據(jù)庫、專家?guī)?，來促進其協(xié)同創(chuàng)新能力。日本國立物質材料研究機構、產業(yè)技術綜合研究所、東京大學、東北大學等研究機構均設有專門的材料設計與模擬研究中心或團隊。例如，日本產業(yè)技術綜合研究所下設計算科學研究所，其主要研究方向有納米、能源與環(huán)境、生物等領域的模擬技術以及集成模擬系統(tǒng)；日本理化學研究所采用模擬和實驗結合的方法，在高溫鈦合金、貴金屬耐熱合金、超級鋼、納米結構與分子開關等領域開展了深入的研發(fā)。

     3.我國的材料基因工程及發(fā)展狀況

     1.政府部門和地方積極推動材料基因工程發(fā)展

     我國材料界一直在關注加速材料研發(fā)的新方法。美國宣布材料基因組計劃后，我國科學家立即敏銳地捕捉到該計劃所釋放出的重要信息。在多位專家學者建議下，2011年7月中國工程院和中國科學院分別召開“材料基因組”研討會，12月召開“材料科學系統(tǒng)工程”香山科學會議；2012年12月和2013年3月，中國工程院和中國科學院分別啟動“材料基因組計劃”重大咨詢項目；2014年10月中國科學院向國務院報送了《實施材料基因組計劃，推進我國高端制造業(yè)材料發(fā)展》的咨詢建議；2015年2月，中國工程院向國務院報送了《中國版材料基因組計劃》的咨詢建議。工程院和科學院的報告，得到了黨和國家領導人的高度重視和多次批示，指示盡快啟動材料基因工程研究。

     科技部高度重視材料基因工程相關技術的發(fā)展。“十二五”期間，在國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）中先后設立了30余項與計算材料、材料制備與服役行為相關的項目。如2000-2015年，973計劃連續(xù)三期設立了與材料計算設計和性能預測基礎問題、材料先進制備加工共性關鍵技術的研究項目；863計劃中設立了“多組分材料跨尺度集成設計與精確制備技術”、“基于材料基因工程的高通量設計、制備與表征技術”等項目。國家自然科學基金委員會對材料設計、制備與表征技術研究給予了持續(xù)的支持，大大促進了相關基礎研究的發(fā)展。

     材料基因工程也得到了地方政府的高度重視。2012年后，上海大學先后多次舉辦了國內及國際材料基因組工程學術討論會、中美材料基因發(fā)展高層論壇等活動，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”（上海大學負責，上海交通大學等6所高校及中科院研究機構參加）、“材料基因工程北京市重點實驗室”（北京科技大學負責）；上海市政府投入3.2億元，重點支持上海大學等單位布局地方材料基因組工程研究與發(fā)展工作，推動中國材料基因組計劃的實施。上海、北京等地的開拓性工作，為我國材料基因組工程的啟動和實施奠定了重要的基礎，有力地推動了相關工作開展。

     2.我國材料基因工程取得的主要進展

     材料基因工程的核心內容是借助互聯(lián)網(wǎng)信息技術，發(fā)展、融合并共享高通量材料計算、通量材料制備與表征及專用數(shù)據(jù)庫資源。結合這一要求，我國培養(yǎng)了一批高素質的研究人才和科研隊伍，形成了一批重點研究基地，取得一批具有國際影響的新材料研發(fā)和應用成果。

     我國具備了在電子尺度進行材料大規(guī)模第一原理計算和開發(fā)的能力；創(chuàng)立了以虛擬結構和數(shù)論方法為基礎的晶格反演方法；建立了近1000種有效的原子間相互作用勢庫，而且原子尺度的仿真模擬在國際上享有獨特的地位。

     我國主要材料研究單位開發(fā)了一系列高通量材料制備與表征技術，在材料微觀結構分析與高通量原位統(tǒng)計表征技術等方面處于國際先進水平；我國在材料服役性能等效加速模擬實驗方法與高通量表征評價技術方面取得了長足的進展，在使用大科學裝置進行高通量材料表征的實驗技術研究方面已經(jīng)開始起步。

     2011年，科技部組建了國家材料環(huán)境腐蝕野外科學觀測研究平臺，積累了大量實用數(shù)據(jù)，并在三峽大壩、天宮一號等一系列國家重大工程建設中發(fā)揮了重要作用；科技部啟動建設“國家材料科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)”，通過整合、重構全國材料科學數(shù)據(jù)，初步建成了較為完整的材料科學數(shù)據(jù)庫。

     面向材料設計計算、先進制備與表征、數(shù)據(jù)積累等需求，我國建設了一批重點研究基地。目前，我國公開擁有P級以上計算能力的超算中心有國家超級計算天津中心、深圳中心、濟南中心、長沙中心、廣州中心及東北區(qū)域超算中心等。

     3.我國材料基因工程實施面臨的挑戰(zhàn)

     材料基因組技術包括高通量材料計算、高通量材料實驗和材料數(shù)據(jù)庫三個要素。我國在三要素各自建設以及三要素之間的協(xié)同方面，尚存在亟待解決的關鍵問題：

     一是在材料多尺度建模及專業(yè)算法和軟件開發(fā)上還部分落后于國外，計算軟件主要依賴進口，在源頭上制約了我國新材料的創(chuàng)新發(fā)展。

     二是缺乏高通量材料合成制備平臺所需的并行組合芯片與專用設備，高通量物性表征技術滯后于先進國家。

     三是我國的計算用基礎數(shù)據(jù)量不足以建成高通量計算專用數(shù)據(jù)庫；材料研發(fā)缺乏數(shù)據(jù)共享機制，計算與實驗數(shù)據(jù)碎片化現(xiàn)象嚴重；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。

     4.推動我國材料基因工程實施的對策和建議

     綜上所述，我國的材料基因工程面臨著基礎設施平臺不完善、關鍵技術存在瓶頸、數(shù)據(jù)資源碎片化等問題，需要分層次、多角度地進行推動和建設。

     1.建立國家層面的協(xié)調機構和協(xié)同創(chuàng)新機制

     建議成立由科技部牽頭，由工業(yè)和信息化部、國家自然科學基金委、教育部、中國工程院和中國科學院等相關部門的領導和專家組成“國家材料基因工程協(xié)調小組”，圍繞國家戰(zhàn)略需求，凝練共性問題，制定技術路線圖，進行頂層設計，組織實施材料基因工程。

     在運行機制的籌劃中，應通過體制機制創(chuàng)新，營造有利于不同學科、不同領域、不同環(huán)節(jié)充分交流的環(huán)境氛圍。

     2.完善平臺建設，突破關鍵技術，培育示范基地

     構建以應用需求為導向、支持高通量計算與高效制備表征、服務于新材料創(chuàng)新的、開放共享的集成公共平臺。

     突破材料學關鍵技術以及面向材料基因工程的數(shù)據(jù)庫和新一代信息技術，包括挖掘分析、分布存儲、交互協(xié)同等重要功能的大數(shù)據(jù)技術，以及計算機接口、數(shù)字綜合處理、信息物理系統(tǒng)、云計算、通信網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)等“互聯(lián)網(wǎng)+”技術，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鍵技術的工業(yè)研究院，瞄準有急迫需求和明確市場前景的目標材料，形成高通量材料研發(fā)和產業(yè)化示范基地。

     3.發(fā)揮國家科技計劃項目的引導作用，推廣材料研發(fā)新理念

     在國家科技計劃材料領域研發(fā)項目的組織實施中，通過設立專項、重點項目等方式，引導科研人員投身于通用材料的高通量計算、高通量制備與表征等方向的研究。

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