材料基因組計(jì)劃（MGI）專題學(xué)習(xí)報(bào)告

1、 .wd. .wd. .wd.材料基因組方案MGI專題學(xué)習(xí)報(bào)告在美國2012 年財(cái)政預(yù)算中，新增了1 億美元用以支持一項(xiàng)名為“材料基因組的創(chuàng)新方案。美國“材料基因組方案試圖創(chuàng)造一個(gè)材料創(chuàng)新框架，以期抓住材料開展中的機(jī)遇，這個(gè)試圖提醒物質(zhì)構(gòu)成、不同元素排列與材料功能之間關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有目的設(shè)計(jì)新材料的科學(xué)工程，有著更強(qiáng)烈的實(shí)用和需求背景，也是美國為保持其在先進(jìn)材料及高端制造業(yè)領(lǐng)域領(lǐng)先地位的一大舉措。十多年前的中國沒有能抓住“人類基因組方案的先機(jī)，面臨比“人類基因組方案更為重要和廣泛的“材料基因組方案，我們不能再次喪失歷史機(jī)遇。 本文主要介紹我對(duì)材料基因方案的認(rèn)識(shí)和對(duì)我們國家若何能抓住這次歷史機(jī)遇

2、提出自己的認(rèn)識(shí)并提出展望。2011 年6 月24 日，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動(dòng)一項(xiàng)價(jià)值超過5億美元的“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系A(chǔ)dvanced ManufacturingPartnership，AMP方案，呼吁美國政府、高校及企業(yè)之間應(yīng)加強(qiáng)合作，以強(qiáng)化美國制造業(yè)領(lǐng)先地位，而“材料基因組方案Materials Genome Initiative，MGI作為AMP 方案中的重要組成局部，投資將超過1 億美元?！安牧匣蚪M方案是“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系方案的主要根基局部，新興材料才是新型制造業(yè)的根基。MGI 的實(shí)施正是抓住了AMP方案實(shí)施的“牛鼻子，是重中之重1。這是金融危機(jī)之后，美國政府意識(shí)到僅靠服務(wù)業(yè)已無法

3、支撐美國經(jīng)濟(jì)走出泥潭，必須重振制造業(yè)。美國制造業(yè)的振興不是傳統(tǒng)制造業(yè)的復(fù)興，而是新興制造業(yè)的培育，其中建設(shè)在材料科學(xué)根基上的新材料產(chǎn)業(yè)是重點(diǎn)之一。2011年9月16日，奧巴馬簽署了?美國創(chuàng)造法案?，對(duì)現(xiàn)行專利體制進(jìn)展重大變革，并宣布了一系列旨在促進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化的重要政策措施?？梢钥闯?，美國當(dāng)前的科技政策更加重視科技成果的商業(yè)化和開發(fā)新市場(chǎng)的改革，“材料基因組方案也表達(dá)出了這一特點(diǎn)：該方案將大大加快材料投入市場(chǎng)的種類及速度，并可通過降低研發(fā)成本和周期降低失敗不安全因素?；貞?999 年中國參與了“人類基因組方案的研究，負(fù)責(zé)其中3號(hào)染色體短臂上約3000萬對(duì)堿基的測(cè)序任務(wù)。雖然參加時(shí)間晚，承擔(dān)任務(wù)

4、最少，占總?cè)蝿?wù)的1%，但工作效率和工作質(zhì)量卻得到了國際HGP工程組的公認(rèn)，于2001年8 月26日完成了中國卷局部。但是坦誠的說，中國并沒有趕上這次方案的機(jī)遇，近10年來，“人類基因組研究的成果，應(yīng)用在研究人類乃至生命本質(zhì)一系列問題上所展示的光輝，無不令世人驚嘆，參加“人類基因組方案HGP方案我們晚了，MGI方案我們不能再晚了，要抓住機(jī)遇，將我們國家的新材料研究水平提上一個(gè)新的水平。一、“材料基因組方案的主要內(nèi)容“材料基因組方案是美國經(jīng)過信息技術(shù)革命后，充分認(rèn)識(shí)到材料革新對(duì)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)開展的重要作用，以及在復(fù)興制造業(yè)的戰(zhàn)略背景下提出來的。其主要目的是試圖把新材料的開發(fā)周期縮短一半，打造全新“

5、環(huán)形開發(fā)流程，推動(dòng)材料科學(xué)家重視制造環(huán)節(jié)，并通過搜集眾多實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)以及企業(yè)有關(guān)新材料的數(shù)據(jù)、代碼、計(jì)算工具等，構(gòu)建專門的數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)共享，致力于攻克新材料從實(shí)驗(yàn)室到工廠這個(gè)放大過程中的問題。材料基因組方案主要包括3大系統(tǒng)：材料超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)、材料性能掃描測(cè)試技術(shù)系統(tǒng)和材料設(shè)計(jì)性能數(shù)據(jù)庫與信息平臺(tái)系統(tǒng)。該方案可能的影響：一是將進(jìn)一步發(fā)揮和加強(qiáng)美國的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新能力；二是將進(jìn)一步增強(qiáng)美國在新材料產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先地位；三是為美國進(jìn)一步做大先進(jìn)制造業(yè)打下關(guān)鍵和堅(jiān)實(shí)的根基，四是將開創(chuàng)新材料研發(fā)的新局面。與“人類基因組工程類似，“材料基因組工程是通過高通量的第一性原理計(jì)算，結(jié)合的可靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用理論模擬去嘗試盡可能

6、多的真實(shí)或未知材料，建設(shè)其化學(xué)組分、晶體和各種物性的數(shù)據(jù)庫，并利用信息學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，通過數(shù)據(jù)挖掘探尋材料構(gòu)造和性能之間的關(guān)系模式，為材料設(shè)計(jì)師提供更多的信息。根據(jù)以上內(nèi)容可知MGI的重點(diǎn)內(nèi)容就是：1打造材料創(chuàng)新根基。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，將這些貫穿整個(gè)材料研發(fā)鏈，提高預(yù)測(cè)能力，用新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)整個(gè)材料的創(chuàng)新根基數(shù)字化信息的整合，與現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)框架無縫結(jié)合，推動(dòng)材料工程研發(fā)、設(shè)計(jì)的快速化、全面化開展。2開發(fā)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。數(shù)據(jù)共享將促進(jìn)不同開發(fā)階級(jí)的各國科學(xué)家和工程師跨國跨學(xué)科交流。3通過先進(jìn)材料方案，希望在國家安全材料研發(fā)方面投入巨資，特別關(guān)注輕質(zhì)保護(hù)材料、電子材料、儲(chǔ)能材

7、料、生物替代材料、稀土關(guān)鍵材料等領(lǐng)域。美國國家科學(xué)院國家研究理事會(huì)在其綜合計(jì)算材料的報(bào)告中展望了“材料基因組方案潛在的優(yōu)勢(shì)：結(jié)合材料計(jì)算工具與信息以及復(fù)雜的已在工程領(lǐng)域使用的計(jì)算和分析工具，材料的開發(fā)周期可從目前的1020年縮短為23年。二、“材料基因組方案的意義國外提出“材料基因組亦稱之為“材料基因工程的概念，“材料基因組主要包括3大系統(tǒng)：材料超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)、材料性能掃描測(cè)試技術(shù)系統(tǒng)和材料設(shè)計(jì)性能數(shù)據(jù)庫與信息平臺(tái)系統(tǒng)。此3大系統(tǒng)是新材料設(shè)計(jì)的3大支柱，其目的就是尋找和建設(shè)材料從原子排列到相的形成到顯微組織的形成到材料性能與使用壽命之間的相互關(guān)系，把成分-構(gòu)造-性能關(guān)系的數(shù)據(jù)庫與計(jì)算材料設(shè)計(jì)結(jié)合

8、起來，以期加快材料研發(fā)速度、降低材料研發(fā)的成本、提高材料設(shè)計(jì)的成功率，從而縮短材料開發(fā)的時(shí)間跨度2?！安牧匣蚪M工程是一種新提法，本質(zhì)上仍為材料計(jì)算模擬，作為一個(gè)穿插領(lǐng)域，綜合了凝聚態(tài)物理、材料物理學(xué)、理論化學(xué)、材料力學(xué)、工程力學(xué)和計(jì)算機(jī)算法等相關(guān)學(xué)科。半導(dǎo)體超晶格材料、非線性光學(xué)材料和自旋電子材料等都是材料設(shè)計(jì)的成功范例。目前，大局部材料的設(shè)計(jì)與測(cè)試是通過耗時(shí)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)來完成的，實(shí)際上，有些實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算工具就能完成。計(jì)算不僅可以深入理解材料的細(xì)節(jié)，節(jié)約研發(fā)成本，而且在某些特殊情況下，計(jì)算可以用來代替或指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，例如：材料還未能制備出來，無法測(cè)量它們的性質(zhì)；有些材料可能會(huì)對(duì)人體安康有害，或者處

9、在高壓、超低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)等某些極端條件下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量很難實(shí)現(xiàn)或者消耗巨大?！安牧匣蚪M方案將為新的研究范式開展提供一個(gè)必要的工具集，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)和更加一體化的工程團(tuán)隊(duì)將允許設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工程和生產(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)，再加上實(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。三、“材料基因組方案的展望從大的方面來講，新材料產(chǎn)業(yè)已被世界公認(rèn)為最重要、開展最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。新材料與信息技術(shù)、生物技術(shù)共同構(gòu)成了當(dāng)今世界高新技術(shù)的三大支柱，成為產(chǎn)業(yè)進(jìn)步、國民經(jīng)濟(jì)開展和保證國防安全的重要推動(dòng)力。因此，工業(yè)興旺國家都高

10、度重視新材料在國民經(jīng)濟(jì)和國防安全中的根基地位和支撐作用，為保持其經(jīng)濟(jì)和科技的領(lǐng)先地位，都把開展新材料作為科技開展戰(zhàn)略的優(yōu)先目標(biāo)，在制定國家科技與產(chǎn)業(yè)開展方案時(shí)，無不將新材料列為優(yōu)先開展的關(guān)鍵技術(shù)之一，給予重點(diǎn)關(guān)注。“材料基因組工程科學(xué)研究具有2方面的重要作用：一是為高技術(shù)新材料研制提供理論根基和優(yōu)選方案，對(duì)新型材料與新技術(shù)的創(chuàng)造產(chǎn)生先導(dǎo)性和前瞻性的重大影響；二是可以促進(jìn)材料科學(xué)與工程由定性描述跨入到定量預(yù)測(cè)階段，提高材料性能和質(zhì)量，大幅縮短從研究到應(yīng)用的周期，對(duì)經(jīng)濟(jì)開展和國防建設(shè)作出重要奉獻(xiàn)。許多國家都加大了材料理論與計(jì)算設(shè)計(jì)方面的人力和財(cái)力投入，都在爭(zhēng)奪該領(lǐng)域某個(gè)方面的領(lǐng)先地位和知識(shí)產(chǎn)權(quán)。例

11、如，日本在玻璃、陶瓷、合金鋼等材料的數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫和專家系統(tǒng)方面開展了很多工作；美國在計(jì)算材料科學(xué)方面一直處于領(lǐng)先水平，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院、麻省理工學(xué)院等也都有一定的優(yōu)勢(shì)。材料計(jì)算模擬與材料的制備/加工、材料表征同屬于共性材料技術(shù)。在未來的開展趨勢(shì)方面，隨著計(jì)算技術(shù)的快速開展、科學(xué)理論模型的日漸成熟，在微觀、介觀和宏觀等不同層次上，在分子、原子、電子等不同層面，按預(yù)定性能設(shè)計(jì)新材料將日趨成熟；以“按需設(shè)計(jì)材料為目標(biāo)的多尺度、跨層次材料設(shè)計(jì)將得到重視；材料微構(gòu)造的協(xié)同設(shè)計(jì)也會(huì)受到關(guān)注。四、“材料基因組方案在國內(nèi)的進(jìn)展情況我在“十二五規(guī)劃聽取意見的時(shí)候已經(jīng)提出過，最重要的是

12、建設(shè)材料科學(xué)的平臺(tái)，上海是有這個(gè)優(yōu)勢(shì)的，這個(gè)平臺(tái)包括材料基因組方案所需要的數(shù)據(jù)庫、工藝流程、大量的原始數(shù)據(jù)以及國內(nèi)外同行做成功的大量材料的案例。比方我所在的中科院上海硅酸鹽研究所和國內(nèi)相關(guān)研究所研究各種晶體，在通過大量摻雜數(shù)據(jù)和由此產(chǎn)生新晶體和新功能方面有不少數(shù)據(jù)，如果別人能夠查閱到這些數(shù)據(jù)，就能防止將已經(jīng)探索過的路再走一遍3。要公開自己積累的數(shù)據(jù)不是那么容易的，這其中牽扯到各個(gè)科研機(jī)構(gòu)的利益問題，所以沒能夠?qū)嵤?。為?yīng)對(duì)美國提出的材料基因組研究方案，深入探討我國應(yīng)若何規(guī)劃、實(shí)施自己的材料科學(xué)系統(tǒng)工程，以“材料科學(xué)系統(tǒng)工程為主題的S14次香山科學(xué)會(huì)議學(xué)術(shù)討論會(huì)，于2011年12月2123日在北京

13、舉行。與會(huì)專家在討論中指出：(1) 我國亟須整合現(xiàn)有零散的計(jì)算算法和程序開發(fā)小組，集中優(yōu)勢(shì)力量，形成規(guī)?；拈L(zhǎng)期穩(wěn)定的開發(fā)隊(duì)伍，開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第一性原理計(jì)算軟件，擺脫國外軟件的壟斷和限制；(2)建設(shè)以第一性原理計(jì)算為主的多層次材料計(jì)算和預(yù)測(cè)平臺(tái)，以基地或中心建設(shè)為主，堅(jiān)持軟硬件結(jié)合，形成對(duì)用戶的有效支持；(3) 建設(shè)合理的評(píng)價(jià)體制，培養(yǎng)各領(lǐng)域的能夠開展算法和開發(fā)程序的穿插型人才，建設(shè)計(jì)算平臺(tái)開發(fā)梯隊(duì)。為加速我國新材料的研發(fā)過程，開展真正有用的國際領(lǐng)先的新材料，并為我國的新材料產(chǎn)業(yè)化體系提供技術(shù)和人才儲(chǔ)藏，我們急需抓住這次機(jī)遇，整合和完善我國的材料研究和產(chǎn)業(yè)化體系。專家建議：共用平臺(tái)協(xié)同建設(shè)；重點(diǎn)材料示范突破；強(qiáng)化政策導(dǎo)向作用；個(gè)人認(rèn)為這些還是要走中國特色道路，和平演變，穩(wěn)定各方機(jī)構(gòu)的既得利益，這樣的話中國的材料基因組研究方案將還需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能真正形成模式，