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(shù)，實現(xiàn)新材料研發(fā)由“試錯法”向“理論預(yù)測、實驗驗證”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(nèi)容、技術(shù)內(nèi)涵、科學(xué)本質(zhì)、最新動向及其未來發(fā)展趨勢等進(jìn)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(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)一個國家科技發(fā)展水平的關(guān)鍵標(biāo)志。
在美國，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所提出。該商標(biāo)注冊于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白宮科學(xué)與技術(shù)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(jī)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(guān)鍵。而作為“先進(jìn)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(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)勢地位奠定了創(chuàng)新基礎(chǔ)。
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(xué)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(nèi)部構(gòu)架及實施目標(biāo)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(yù)測、實驗求證”模式的轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到提高材料高級科學(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。
材料基因組計劃的關(guān)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(shù)，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(nèi)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(guān)聯(lián)邦執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別就MGI計劃任務(wù)指標(biāo)展開詳細(xì)計劃與部署。
2012年，美國國家科學(xué)基金會（NSF）宣布實施“設(shè)計材料—徹底改變未來（DMREF）”計劃，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)、美國國家標(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”。
2012年，美國國家標(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)及新檢測工具；2013年，NIST宣布在未來5年內(nèi)資助2500萬美元，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(shù)。
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(zhì)、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(jì)委員會與美國國家科學(xué)與技術(shù)政策辦公室編寫了新版《美國創(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)。
美國非聯(lián)邦機(jī)構(gòu)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(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(xùn)相關(guān)工作人員最新的材料設(shè)計/工藝知識。2013年，威斯康辛大學(xué)和佐治亞理工大學(xué)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(xué)共建材料革新加速網(wǎng)絡(luò)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(xué)術(shù)出版商等團(tuán)體機(jī)構(gòu)，共同建立了國家數(shù)據(jù)服務(wù)（NDS），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)便捷輸入與共享。
數(shù)據(jù)庫建設(shè)是MGI的一個基礎(chǔ)組成部分。2012年，麻省理工學(xué)院和勞倫斯伯克利國家實驗室開放了擁有1.5萬相關(guān)材料的公眾數(shù)據(jù)庫；2013年，哈佛大學(xué)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(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)庫和開放軟件。
計算材料學(xué)是通過實際過程模擬和輔助材料設(shè)計來加速引導(dǎo)新材料的研發(fā)。在材料模擬仿真領(lǐng)域，開發(fā)出了諸如Autodesk Simulation Network、CAE等優(yōu)秀的仿真優(yōu)化與設(shè)計工藝軟件和平臺；在輔助材料設(shè)計方面，開發(fā)出了諸如AFLOW、USPEX、ATAT等用于高通量計算、晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測，以及熱力學(xué)相圖計算的軟件或平臺。
教育培訓(xùn)是落實MGI計劃的重要環(huán)節(jié)。2012年，以大學(xué)材料委員會（UMC）為首的33家高校，有針對性地對材料領(lǐng)域?qū)W員進(jìn)行了有關(guān)MGI知識教育培訓(xùn)；2013年，麻省理工、南卡羅來納州大學(xué)等高校開展了網(wǎng)上免費(fèi)MGI培訓(xùn)課程；美國材料研究學(xué)會發(fā)放了高通量材料科學(xué)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(xué)”（ACCMET）項目。項目組織了政府機(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)基金會又推出總投資超過20億歐元的“2012—2022歐洲冶金復(fù)興計劃”，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)計等相關(guān)研究。
歐洲科學(xué)基金會下的“研究網(wǎng)絡(luò)計劃”設(shè)置了有關(guān)材料模擬的“材料從頭計算模擬先進(jìn)概念計劃”和“生物系統(tǒng)與材料科學(xué)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(guān)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(xué)計劃。日本文部科學(xué)省和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省計劃建立玻璃、陶瓷、合金鋼等領(lǐng)域的材料數(shù)據(jù)庫、專家?guī)欤瑏泶龠M(jìn)其協(xié)同創(chuàng)新能力。日本國立物質(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)有專門的材料設(shè)計與模擬研究中心或團(tuán)隊。例如，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所下設(shè)計算科學(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驗結(jié)合的方法，在高溫鈦合金、貴金屬耐熱合金、超級鋼、納米結(jié)構(gòu)與分子開關(guān)等領(lǐng)域開展了深入的研發(fā)。
3.我國的材料基因工程及發(fā)展?fàn)顩r
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(guān)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(xué)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(xué)者建議下，2011年7月中國工程院和中國科學(xué)院分別召開“材料基因組”研討會，12月召開“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”香山科學(xué)會議；2012年12月和2013年3月，中國工程院和中國科學(xué)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(xué)院向國務(wù)院報送了《實施材料基因組計劃，推進(jìn)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(wù)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(xué)院的報告，得到了黨和國家領(lǐng)導(dǎo)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(guān)技術(shù)的發(fā)展?！笆濉逼陂g，在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）中先后設(shè)立了30余項與計算材料、材料制備與服役行為相關(guān)的項目。如2000-2015年，973計劃連續(xù)三期設(shè)立了與材料計算設(shè)計和性能預(yù)測基礎(chǔ)問題、材料先進(jìn)制備加工共性關(guān)鍵技術(shù)的研究項目；863計劃中設(shè)立了“多組分材料跨尺度集成設(shè)計與精確制備技術(shù)”、“基于材料基因工程的高通量設(shè)計、制備與表征技術(shù)”等項目。國家自然科學(xué)基金委員會對材料設(shè)計、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)先后多次舉辦了國內(nèi)及國際材料基因組工程學(xué)術(shù)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(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實驗室”（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(chǔ)，有力地推動了相關(guān)工作開展。
2.我國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算、通量材料制備與表征及專用數(shù)據(jù)庫資源。結(jié)合這一要求，我國培養(yǎng)了一批高素質(zhì)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(yīng)用成果。
我國具備了在電子尺度進(jìn)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(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(shù)，在材料微觀結(jié)構(gòu)分析與高通量原位統(tǒng)計表征技術(shù)等方面處于國際先進(jìn)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(shù)方面取得了長足的進(jìn)展，在使用大科學(xué)裝置進(jìn)行高通量材料表征的實驗技術(shù)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(xué)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(shè)中發(fā)揮了重要作用；科技部啟動建設(shè)“國家材料科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)”，通過整合、重構(gòu)全國材料科學(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。
面向材料設(shè)計計算、先進(jìn)制備與表征、數(shù)據(jù)積累等需求，我國建設(shè)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(jì)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(shù)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(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(jìn)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(shè)備，高通量物性表征技術(shù)滯后于先進(jìn)國家。
三是我國的計算用基礎(chǔ)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(jī)制，計算與實驗數(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(chǔ)設(shè)施平臺不完善、關(guān)鍵技術(shù)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(jìn)行推動和建設(shè)。
1.建立國家層面的協(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、國家自然科學(xué)基金委、教育部、中國工程院和中國科學(xué)院等相關(guān)部門的領(lǐng)導(dǎo)和專家組成“國家材料基因工程協(xié)調(diào)小組”，圍繞國家戰(zhàn)略需求，凝練共性問題，制定技術(shù)路線圖，進(jìn)行頂層設(shè)計，組織實施材料基因工程。
在運(yùn)行機(jī)制的籌劃中，應(yīng)通過體制機(jī)制創(chuàng)新，營造有利于不同學(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、支持高通量計算與高效制備表征、服務(wù)于新材料創(chuàng)新的、開放共享的集成公共平臺。
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)庫和新一代信息技術(shù)，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(shù)，以及計算機(jī)接口、數(shù)字綜合處理、信息物理系統(tǒng)、云計算、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)揮國家科技計劃項目的引導(dǎo)作用，推廣材料研發(fā)新理念
在國家科技計劃材料領(lǐng)域研發(fā)項目的組織實施中，通過設(shè)立專項、重點項目等方式，引導(dǎo)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(dān)單位借助材料基因工程的研發(fā)理念和工具技術(shù)，開展其具體的材料研發(fā)工作。