顧秉林

（清華大學(xué)，北京100084）

材料科學(xué)系統(tǒng)工程：建立我國新材料產(chǎn)業(yè)體系的關(guān)鍵

顧秉林

（清華大學(xué)，北京100084）

顧秉林吉林德惠人，中國科學(xué)院院士，瑞典皇家工程科學(xué)院外籍院士。清華大學(xué)原校長，現(xiàn)任清華大學(xué)高等研究院院長、中國科學(xué)院技術(shù)科學(xué)部主任、北京市科協(xié)主席。長期致力于材料物理和計算材料科學(xué)的研究和高層次人才培養(yǎng)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，依賴于科學(xué)直覺與試錯的傳統(tǒng)材料研究方法，已嚴(yán)重滯后于當(dāng)今技術(shù)快速發(fā)展的需求。革新材料研發(fā)方法，加速材料從研究到應(yīng)用的轉(zhuǎn)化進(jìn)程，成為各國材料研究的最新發(fā)展戰(zhàn)略。

2011年6月24日，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布了一項超過5億美元的“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”計劃，而“材料基因組計劃”是其重要的組成部分之一?！安牧匣蚪M計劃”是通過高通量的跨尺度材料計算，結(jié)合大量可靠的實驗數(shù)據(jù)，用理論模擬去嘗試盡可能多的真實或未知材料，建立其化學(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)計學(xué)方法，通過數(shù)據(jù)挖掘探尋材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系模式，為材料設(shè)計提供更多的信息：1）發(fā)展計算工具和方法，減少耗時費力的實驗，加快材料設(shè)計和篩選進(jìn)程；2）發(fā)展和推廣高通量材料實驗工具，對候選材料進(jìn)行篩選和驗證，快速、大量、準(zhǔn)確地取得材料計算所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)；3）發(fā)展和完善材料數(shù)據(jù)庫/信息學(xué)工具，有效管理材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用全過程數(shù)據(jù)鏈；4）改革多年來材料界形成的一家一戶式的封閉型工作方式，培育開放、協(xié)作的新型合作模式。此項計劃的發(fā)展目標(biāo)是整合新材料研究過程中的團(tuán)隊，使其在新材料研制周期內(nèi)各個階段相互協(xié)作，加強(qiáng)“官產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合，注重實驗技術(shù)、計算技術(shù)和數(shù)據(jù)庫之間的協(xié)作和共享，最終將新材料研發(fā)時間縮短一半、成本降低到現(xiàn)有的幾分之一，以期加速美國在清潔能源、國家安全、人類健康與福祉及下一代勞動力培養(yǎng)等方面的進(jìn)步，加強(qiáng)美國的國際競爭力。通過“材料基因組計劃”實現(xiàn)通過理論模擬和計算完成先進(jìn)材料的“按需設(shè)計”和全程數(shù)字化制造的終極目標(biāo)。2014年12月4日，美國白宮網(wǎng)公布了《材料基因組戰(zhàn)略規(guī)劃》，將其提升到了新的戰(zhàn)略高度。在新的規(guī)劃中提出了當(dāng)前材料科學(xué)與工程和材料基因組計劃實施過程中所面臨的4大關(guān)鍵挑戰(zhàn)：1）材料研發(fā)與部署的文化轉(zhuǎn)變；2）實驗、計算和理論的整合；3）數(shù)字化數(shù)據(jù)的訪問；4）世界一流的材料人才。該戰(zhàn)略計劃首次提出了生物材料、催化劑等9個重點材料領(lǐng)域的61個發(fā)展方向作為材料基因組計劃重點發(fā)展方向。世界其他科技先進(jìn)國家，如歐盟、日本、加拿大、俄羅斯等國也已經(jīng)啟動了類似的科學(xué)計劃。

我國在20世紀(jì)末已經(jīng)開始研究提高材料研發(fā)效率的先進(jìn)方法，如高通量組合材料芯片實驗技術(shù)。目前我國先進(jìn)材料的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家仍有較大差距，在國家重大需求及國家安全方面急需的高端制造業(yè)關(guān)鍵材料或部件大部分仍需依賴進(jìn)口，關(guān)鍵材料自給率只有約14%。為了加速我國新材料的研發(fā)過程，發(fā)展國家重要領(lǐng)域急需的關(guān)鍵先進(jìn)材料，并為我國的新材料產(chǎn)業(yè)化體系提供技術(shù)和人才儲備，必須要以全球視野謀劃和推動材料科學(xué)研究的創(chuàng)新，抓住這次機(jī)遇，變革材料傳統(tǒng)研究領(lǐng)域的思維方式和研發(fā)模式，進(jìn)一步整合和完善我國的材料研究和產(chǎn)業(yè)化體系，從而實現(xiàn)振興我國的高端制造業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。

為應(yīng)對美國提出的材料基因組研究計劃，對我國如何規(guī)劃、開展實施自己的科學(xué)計劃提出建議并進(jìn)行深入的研討，在中國科學(xué)院和中國工程院的推動下，于2011年12月21—23日在北京召開了S14次香山科學(xué)會議。在此前召開的由兩院部分院士參加的籌備會上，大家認(rèn)為：“材料科學(xué)研究成分—結(jié)構(gòu)—性能之間的關(guān)系，從新材料的發(fā)現(xiàn)、合成、性能優(yōu)化、制備、應(yīng)用、回收再利用，既有基礎(chǔ)科學(xué)，又有工程科學(xué)，是一個系統(tǒng)工程。”因此，一致同意把那次會議定名為“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”香山科學(xué)會議。

結(jié)合我國的國情，材料界的專家學(xué)者提出建設(shè)發(fā)展符合中國材料領(lǐng)域的“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”，具體包含如下建議：

1）共用平臺協(xié)同建設(shè)。建立幾個集理論計算平臺、數(shù)據(jù)庫平臺和測試平臺“三位一體”的“材料科學(xué)系統(tǒng)工程中心”，結(jié)合國家大科學(xué)工程設(shè)施，集中國內(nèi)材料計算與模擬領(lǐng)域優(yōu)勢力量，通力合作，跟上并引領(lǐng)國際材料領(lǐng)域新一輪發(fā)展的浪潮。

2）重點材料示范突破。選擇幾項國家急需的、戰(zhàn)略需要的、國內(nèi)有良好基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)材料和功能材料作為示范突破，通過與平臺建設(shè)相結(jié)合，進(jìn)行演示示范，為更大范圍的推廣積累經(jīng)驗。

3）產(chǎn)業(yè)鏈條協(xié)同創(chuàng)新。成立一個包括政府機(jī)構(gòu)、科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)代表在內(nèi)的指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會，全面協(xié)調(diào)從材料基礎(chǔ)研究、軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)庫建立、測試平臺直至產(chǎn)業(yè)化的各項工作，以充分發(fā)揮我國社會主義制度在統(tǒng)籌科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化革命的優(yōu)越性；建議有條件的教育機(jī)構(gòu)開設(shè)相關(guān)課程。

鑒證歷史，新材料的發(fā)現(xiàn)以及材料研發(fā)技術(shù)的變革往往會成為影響人類文明進(jìn)程的重大歷史事件。展望未來，發(fā)展符合中國材料領(lǐng)域的“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”對實現(xiàn)快速、低耗研發(fā)新材料和先進(jìn)技術(shù)，對促進(jìn)建立我國新材料產(chǎn)業(yè)體系具有極其重要的意義。發(fā)展“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”需要選擇幾項國家急需的、戰(zhàn)略需要的、國內(nèi)具有優(yōu)良基礎(chǔ)的代表性材料作為突破口，建立示范作用，同時為大范圍地推廣奠定基礎(chǔ)。系統(tǒng)的材料科學(xué)工程需要在材料的發(fā)現(xiàn)、開發(fā)、制造和服役的全過程中，強(qiáng)調(diào)理論計算與實驗研發(fā)緊密結(jié)合，實現(xiàn)材料創(chuàng)新的全程數(shù)字化，進(jìn)行“多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新”。可以預(yù)見，中國材料領(lǐng)域的“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”的建立，必將引導(dǎo)中國的先進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)在世界上占據(jù)有利的競爭地位。

—— 摘自《科技導(dǎo)報》2015年 第10期 第1頁