美國(guó)主導(dǎo)的“材料基因組計(jì)劃”可能會(huì)引發(fā)—— 新材料研發(fā)的一場(chǎng)革命
2011年6月底，白宮發(fā)布了美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)起草的“材料基因組計(jì)劃”白皮書（Materials Genome Initiative，MGI）。白皮書提出，要實(shí)現(xiàn)材料領(lǐng)域發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，把新材料研發(fā)和應(yīng)用的速度從目前的10～20年縮短為5～10年。
面向需求
基因組是指包含在DNA中的關(guān)于一個(gè)生命體組織發(fā)育的一系列遺傳信息，在非生物環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，指的是計(jì)劃中的每一個(gè)基本構(gòu)建要素。材料基因組的研究目標(biāo)是根據(jù)物質(zhì)構(gòu)成的基本原理設(shè)計(jì)新材料，這種設(shè)計(jì)從原子尺度出發(fā)直接面向最終的應(yīng)用需求。材料“發(fā)現(xiàn)”這一概念并不僅限于對(duì)某種新材料的化學(xué)基團(tuán)的發(fā)現(xiàn)，廣義上還應(yīng)包括對(duì)材料性能加工和加工過(guò)程中的發(fā)現(xiàn)，甚至提出理論發(fā)展的新途徑。
目前，新材料從研發(fā)到市場(chǎng)應(yīng)用時(shí)間跨度非常長(zhǎng)，某種新材料從最初的研究開發(fā)，經(jīng)性能優(yōu)化、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成、驗(yàn)證、制造到首次投入市場(chǎng)通常需要10~20年時(shí)間。部分原因是一直以來(lái)過(guò)度依賴對(duì)材料研發(fā)的科學(xué)直覺與實(shí)驗(yàn)判斷，目前大部分材料的設(shè)計(jì)與測(cè)試是通過(guò)耗時(shí)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)完成的，實(shí)際上，有些實(shí)驗(yàn)通過(guò)計(jì)算工具就能完成，只是現(xiàn)在尚無(wú)法驗(yàn)證計(jì)算模擬的準(zhǔn)確程度。
此外，材料的生命周期并沒有隨著投入市場(chǎng)而結(jié)束，未來(lái)更多的行業(yè)和消費(fèi)者會(huì)關(guān)注材料的回收與可持續(xù)發(fā)展，材料工程師設(shè)計(jì)新材料時(shí)必須考慮可回收性等更多的因素。
材料基因組計(jì)劃將為新的研究范式發(fā)展提供必要的工具，強(qiáng)大的計(jì)算分析將減少對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的依賴。改進(jìn)的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)和一體化的工程團(tuán)隊(duì)將允許設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程與生產(chǎn)活動(dòng)的重疊與互動(dòng)。這種新的綜合設(shè)計(jì)將結(jié)合更多的計(jì)算與信息技術(shù)，加上實(shí)驗(yàn)與表征方面的進(jìn)步，將顯著加快材料投入市場(chǎng)的種類及速度，材料的開發(fā)周期可從目前的10~20年縮短為5~10年。
重點(diǎn)內(nèi)容
材料基因組計(jì)劃試圖創(chuàng)建的材料創(chuàng)新框架，重點(diǎn)包括以下三方面的內(nèi)容：
一，打造材料創(chuàng)新基礎(chǔ)。材料基因組計(jì)劃將開發(fā)新的集成式計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)信息學(xué)工具。這些軟件和集成工具將貫穿整個(gè)材料研發(fā)鏈，它們采用一種開放平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，以提高預(yù)測(cè)能力，并按最新標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)材料創(chuàng)新基礎(chǔ)數(shù)字化信息的整合。這一基礎(chǔ)將與現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)框架無(wú)縫結(jié)合，推動(dòng)材料工程設(shè)計(jì)向快速化、全面化發(fā)展。
二，開發(fā)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。材料基因組計(jì)劃的目的不僅是讓研究人員能夠輕松地將自己的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，同時(shí)還要使研究和工程人員能夠彼此整合數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)共享還將促進(jìn)處于不同材料開發(fā)階段的科學(xué)家和工程師的跨學(xué)科交流。
三，通過(guò)先進(jìn)材料希望達(dá)到的目標(biāo)。這一計(jì)劃的提出者認(rèn)為，美國(guó)目前面臨的如清潔能源、國(guó)家安全和人類福祉等方面緊迫挑戰(zhàn)的求解都有賴于先進(jìn)材料的發(fā)展。
1，國(guó)家安全相關(guān)材料。美國(guó)國(guó)防部和國(guó)防實(shí)驗(yàn)室都在材料研究方面投入巨資。研究實(shí)驗(yàn)室更關(guān)注輕質(zhì)保護(hù)材料、電子材料、儲(chǔ)能材料、生物替代材料等。美軍方希望使用先進(jìn)材料來(lái)保護(hù)和武裝軍事力量，同時(shí)，如稀土等關(guān)鍵材料在國(guó)家安全等領(lǐng)域也將發(fā)揮難以替代的作用。
2，人類健康和福利相關(guān)材料。先進(jìn)材料的許多應(yīng)用可解決人類健康和福利面臨的挑戰(zhàn)——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。防止創(chuàng)傷性腦損傷設(shè)計(jì)的先進(jìn)材料對(duì)于包括運(yùn)動(dòng)員和軍事人員等在內(nèi)的很多用戶群體都有潛在的好處。
3，清潔能源系統(tǒng)相關(guān)材料。開發(fā)清潔能源、減少對(duì)于石油的依賴是美國(guó)明確優(yōu)先發(fā)展的項(xiàng)目。材料研究可以幫助找到新技術(shù)，如為生物燃料生產(chǎn)更好的催化劑、直接從陽(yáng)光產(chǎn)生能量的人工光合作用、新穎高效的太陽(yáng)能光伏、便攜式能源存儲(chǔ)設(shè)備等。先進(jìn)材料（如高效率、低成本、輕量化結(jié)構(gòu)材料）還可以減少運(yùn)輸對(duì)石油的依賴。
行動(dòng)計(jì)劃
白宮自去年6月底推出材料基因組計(jì)劃的白皮書后，目前正向相關(guān)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)等機(jī)構(gòu)征求政策建議。未來(lái)與此相關(guān)的重要安排有：
一，美國(guó)能源部將與國(guó)家科學(xué)基金會(huì)聯(lián)合開發(fā)、維護(hù)和實(shí)施可靠、可互操作和可重復(fù)利用的下一代物質(zhì)設(shè)計(jì)軟件。能源部將通過(guò)“材料和化學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)”項(xiàng)目，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)將通過(guò)“21世紀(jì)科學(xué)與工程網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施框架”項(xiàng)目，協(xié)調(diào)發(fā)展高品質(zhì)生產(chǎn)軟件工具包。
二，為支持先進(jìn)軟件項(xiàng)目開發(fā)，能源部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)還將協(xié)調(diào)發(fā)展下一步的表征工具，為算法和軟件工具的發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
三，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院主導(dǎo)的“先進(jìn)材料設(shè)計(jì)”項(xiàng)目將針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施，參考數(shù)據(jù)庫(kù)和卓越中心的發(fā)展，使材料的發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)建模和仿真更可靠。該項(xiàng)目將與能源部、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的項(xiàng)目密切配合。
四，美國(guó)防部將重點(diǎn)投資計(jì)算材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，提高材料性能滿足廣泛的國(guó)家安全需求，在材料防御系統(tǒng)保持技術(shù)優(yōu)勢(shì)。陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、海軍研究辦公室和空軍研究實(shí)驗(yàn)室將共同參與研究。
五，能源部能源效率和可再生能源部門的新一代材料方案將包括：用于制造過(guò)程的新材料，提高材料性能和降低制造成本的新復(fù)合材料系統(tǒng)，用于預(yù)測(cè)空間和時(shí)間變化的建模和仿真工具等。
2011年6月底，白宮發(fā)布了美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)起草的“材料基因組計(jì)劃”白皮書（Materials Genome Initiative，MGI）。白皮書提出，要實(shí)現(xiàn)材料領(lǐng)域發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，把新材料研發(fā)和應(yīng)用的速度從目前的10～20年縮短為5～10年。
面向需求
基因組是指包含在DNA中的關(guān)于一個(gè)生命體組織發(fā)育的一系列遺傳信息，在非生物環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，指的是計(jì)劃中的每一個(gè)基本構(gòu)建要素。材料基因組的研究目標(biāo)是根據(jù)物質(zhì)構(gòu)成的基本原理設(shè)計(jì)新材料，這種設(shè)計(jì)從原子尺度出發(fā)直接面向最終的應(yīng)用需求。材料“發(fā)現(xiàn)”這一概念并不僅限于對(duì)某種新材料的化學(xué)基團(tuán)的發(fā)現(xiàn)，廣義上還應(yīng)包括對(duì)材料性能加工和加工過(guò)程中的發(fā)現(xiàn)，甚至提出理論發(fā)展的新途徑。
目前，新材料從研發(fā)到市場(chǎng)應(yīng)用時(shí)間跨度非常長(zhǎng)，某種新材料從最初的研究開發(fā)，經(jīng)性能優(yōu)化、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成、驗(yàn)證、制造到首次投入市場(chǎng)通常需要10~20年時(shí)間。部分原因是一直以來(lái)過(guò)度依賴對(duì)材料研發(fā)的科學(xué)直覺與實(shí)驗(yàn)判斷，目前大部分材料的設(shè)計(jì)與測(cè)試是通過(guò)耗時(shí)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)完成的，實(shí)際上，有些實(shí)驗(yàn)通過(guò)計(jì)算工具就能完成，只是現(xiàn)在尚無(wú)法驗(yàn)證計(jì)算模擬的準(zhǔn)確程度。
此外，材料的生命周期并沒有隨著投入市場(chǎng)而結(jié)束，未來(lái)更多的行業(yè)和消費(fèi)者會(huì)關(guān)注材料的回收與可持續(xù)發(fā)展，材料工程師設(shè)計(jì)新材料時(shí)必須考慮可回收性等更多的因素。
材料基因組計(jì)劃將為新的研究范式發(fā)展提供必要的工具，強(qiáng)大的計(jì)算分析將減少對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的依賴。改進(jìn)的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)和一體化的工程團(tuán)隊(duì)將允許設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程與生產(chǎn)活動(dòng)的重疊與互動(dòng)。這種新的綜合設(shè)計(jì)將結(jié)合更多的計(jì)算與信息技術(shù)，加上實(shí)驗(yàn)與表征方面的進(jìn)步，將顯著加快材料投入市場(chǎng)的種類及速度，材料的開發(fā)周期可從目前的10~20年縮短為5~10年。
重點(diǎn)內(nèi)容
材料基因組計(jì)劃試圖創(chuàng)建的材料創(chuàng)新框架，重點(diǎn)包括以下三方面的內(nèi)容：
一，打造材料創(chuàng)新基礎(chǔ)。材料基因組計(jì)劃將開發(fā)新的集成式計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)信息學(xué)工具。這些軟件和集成工具將貫穿整個(gè)材料研發(fā)鏈，它們采用一種開放平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，以提高預(yù)測(cè)能力，并按最新標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)材料創(chuàng)新基礎(chǔ)數(shù)字化信息的整合。這一基礎(chǔ)將與現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)框架無(wú)縫結(jié)合，推動(dòng)材料工程設(shè)計(jì)向快速化、全面化發(fā)展。
二，開發(fā)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。材料基因組計(jì)劃的目的不僅是讓研究人員能夠輕松地將自己的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，同時(shí)還要使研究和工程人員能夠彼此整合數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)共享還將促進(jìn)處于不同材料開發(fā)階段的科學(xué)家和工程師的跨學(xué)科交流。
三，通過(guò)先進(jìn)材料希望達(dá)到的目標(biāo)。這一計(jì)劃的提出者認(rèn)為，美國(guó)目前面臨的如清潔能源、國(guó)家安全和人類福祉等方面緊迫挑戰(zhàn)的求解都有賴于先進(jìn)材料的發(fā)展。
1，國(guó)家安全相關(guān)材料。美國(guó)國(guó)防部和國(guó)防實(shí)驗(yàn)室都在材料研究方面投入巨資。研究實(shí)驗(yàn)室更關(guān)注輕質(zhì)保護(hù)材料、電子材料、儲(chǔ)能材料、生物替代材料等。美軍方希望使用先進(jìn)材料來(lái)保護(hù)和武裝軍事力量，同時(shí)，如稀土等關(guān)鍵材料在國(guó)家安全等領(lǐng)域也將發(fā)揮難以替代的作用。
2，人類健康和福利相關(guān)材料。先進(jìn)材料的許多應(yīng)用可解決人類健康和福利面臨的挑戰(zhàn)——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。防止創(chuàng)傷性腦損傷設(shè)計(jì)的先進(jìn)材料對(duì)于包括運(yùn)動(dòng)員和軍事人員等在內(nèi)的很多用戶群體都有潛在的好處。
3，清潔能源系統(tǒng)相關(guān)材料。開發(fā)清潔能源、減少對(duì)于石油的依賴是美國(guó)明確優(yōu)先發(fā)展的項(xiàng)目。材料研究可以幫助找到新技術(shù)，如為生物燃料生產(chǎn)更好的催化劑、直接從陽(yáng)光產(chǎn)生能量的人工光合作用、新穎高效的太陽(yáng)能光伏、便攜式能源存儲(chǔ)設(shè)備等。先進(jìn)材料（如高效率、低成本、輕量化結(jié)構(gòu)材料）還可以減少運(yùn)輸對(duì)石油的依賴。
行動(dòng)計(jì)劃
白宮自去年6月底推出材料基因組計(jì)劃的白皮書后，目前正向相關(guān)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)等機(jī)構(gòu)征求政策建議。未來(lái)與此相關(guān)的重要安排有：
一，美國(guó)能源部將與國(guó)家科學(xué)基金會(huì)聯(lián)合開發(fā)、維護(hù)和實(shí)施可靠、可互操作和可重復(fù)利用的下一代物質(zhì)設(shè)計(jì)軟件。能源部將通過(guò)“材料和化學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)”項(xiàng)目，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)將通過(guò)“21世紀(jì)科學(xué)與工程網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施框架”項(xiàng)目，協(xié)調(diào)發(fā)展高品質(zhì)生產(chǎn)軟件工具包。
二，為支持先進(jìn)軟件項(xiàng)目開發(fā)，能源部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)還將協(xié)調(diào)發(fā)展下一步的表征工具，為算法和軟件工具的發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
三，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院主導(dǎo)的“先進(jìn)材料設(shè)計(jì)”項(xiàng)目將針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施，參考數(shù)據(jù)庫(kù)和卓越中心的發(fā)展，使材料的發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)建模和仿真更可靠。該項(xiàng)目將與能源部、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的項(xiàng)目密切配合。
四，美國(guó)防部將重點(diǎn)投資計(jì)算材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，提高材料性能滿足廣泛的國(guó)家安全需求，在材料防御系統(tǒng)保持技術(shù)優(yōu)勢(shì)。陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、海軍研究辦公室和空軍研究實(shí)驗(yàn)室將共同參與研究。
五，能源部能源效率和可再生能源部門的新一代材料方案將包括：用于制造過(guò)程的新材料，提高材料性能和降低制造成本的新復(fù)合材料系統(tǒng)，用于預(yù)測(cè)空間和時(shí)間變化的建模和仿真工具等。
