全球興起材料基因組計劃

材料創(chuàng)新歷來是各種顛覆性技術革命的核心，新型材料是高端先進制造業(yè)的基礎。近年來，旨在加速新材料研發(fā)進程的材料基因組工程成為各國材料界熱議的話題。為重塑全球制造業(yè)的領導者地位，美國于2011年提出“先進制造業(yè)伙伴關系”計劃，實施再工業(yè)化戰(zhàn)略，以期實現(xiàn)制造業(yè)的復興。作為該計劃的重要組成部分——美國“材料基因組計劃”（Materials Genome Initiative，MGI），明確了要通過材料創(chuàng)新來滿足新興制造業(yè)對高性能新材料的需求，從而帶動先進制造業(yè)的發(fā)展。

材料基因組研究根植于計算材料科學的發(fā)展。20世紀80年代以來，材料科學基礎學科如物理、化學等不斷發(fā)展，計算物理與量子化學方法不斷完善，計算機軟硬件技術不斷進步。材料科學、物理、化學、應用數(shù)學以及工程力學等多學科交叉，使得計算材料科學在電子-原子層次上的第一性原理計算、結構性能與服役行為的預測、介觀尺度微結構演化等的計算模擬、多尺度計算、工程過程仿真、材料數(shù)據(jù)庫建立與智能化應用等領域發(fā)揮了重要作用。其中，高通量計算與模擬作為一個正在興起的學科領域，在材料計算中具有加速新現(xiàn)象、新材料發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新的強大功能。

最近20年，以美國為代表的發(fā)達國家不斷從國家發(fā)展戰(zhàn)略高度出發(fā)，以國家行為加大推動計算材料科學發(fā)展的力度。2011年6月，美國正式提出MGI，并在2014年12月公布的《材料基因組計劃戰(zhàn)略規(guī)劃》中進一步明確了63個重點研究方向。其目標是集成多尺度的計算材料科學方法、高效實驗手段和數(shù)據(jù)庫，加快材料研發(fā)速度，降低材料研發(fā)成本，提高材料設計的成功率，使材料的開發(fā)周期從目前的10～20年縮短一半，甚至只需要2～3年。

印度于2013年啟動印度版的“材料基因組計劃”（Mapping the Materials Genome），成為繼美國之后明確提出材料基因組發(fā)展規(guī)劃的第一個亞洲國家。日本為振興國家經濟能力，解決材料需求的瓶頸問題，則提出了“元素戰(zhàn)略”國家計劃，特別強調材料研究模式的“變革”，反映出日本緊抓歷史機遇的部署。

在美國啟動MGI的同時，歐盟以輕量、高溫、高溫超導、熱電、磁性及熱磁和相變記憶存儲6類高性能合金材料需求為牽引，推出了“加速冶金學”（Accelerated Metallurgy，ACCMET），計劃對數(shù)以萬計的合金成分進行自動化篩選、優(yōu)化，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。

我國在2011年12月就召開了主題為“材料科學系統(tǒng)工程”的香山科學會議。2012年12月，中國工程院開始了《材料科學系統(tǒng)工程發(fā)展戰(zhàn)略研究——中國版材料基因組計劃》重大項目研究。其后不久，中國科學院《材料基因組與材料科學創(chuàng)新發(fā)展》戰(zhàn)略咨詢項目啟動。兩院院士在研究報告中提出圍繞若干關鍵材料體系，借助材料基因組技術，推動先進材料的“按需設計”，解決最緊迫的國家挑戰(zhàn)性材料問題，發(fā)展和建立我國的新材料創(chuàng)建體系，從而有力扭轉我國關鍵新材料自給率低的現(xiàn)狀。

長期以來，由于我國材料科技工業(yè)起步較晚，關鍵材料對外依存度極高，諸多重大戰(zhàn)略領域的發(fā)展受到了制約。在當前發(fā)達國家對材料研發(fā)突然發(fā)力、加速布局的背景下，為實現(xiàn)材料產業(yè)的跨越式發(fā)展，有關院士專家建議應該抓住材料基因組研究帶來的機遇，盡快實施中國版“材料基因組計劃”，推進新材料研發(fā)由傳統(tǒng)的、相對低效的“經驗指導實驗”轉向新型的、相對高效的“理論預測、實驗驗證”模式，推進新材料的研發(fā)和應用，為創(chuàng)新驅動戰(zhàn)略提供持續(xù)動力。

美國“材料基因組計劃”的目標和具體內容

2016年2月19日，國家科技部發(fā)布的2016年度國家重點研發(fā)計劃項目申報指南中，“材料基因工程關鍵技術與支撐平臺”被列為重點專項正式啟動。中國工程院主席團名譽主席徐匡迪院士認為，材料基因組是信息化時代對材料科學研究方法的一次重大變革，對縮短材料研發(fā)周期具有重要意義，希望科學家能抓住機遇，積極建設我國材料創(chuàng)新平臺，加快我國從材料大國向材料強國的轉變，使材料創(chuàng)新成為推動我國制造業(yè)和經濟增長的原動力。國家科技部副部長、中國科學院院士侯建國指出，當前新材料的供給總是落后于需求，如何縮短新材料的研發(fā)周期成為科研工作者面臨的重大挑戰(zhàn)，中國版“材料基因組計劃”的實施將有助于改善這一形勢。中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員、中國工程院院士江東亮表示，積極啟動國家層面的材料基因組戰(zhàn)略，將有助于我國新材料研發(fā)在世界上爭取到領先席位。

運用創(chuàng)新方法研發(fā)新材料

材料顯微組織及其中的原子排列決定了材料的性能，就像人體細胞里的基因排列決定著人體機能一樣。材料基因組作為一種新提法，本質是一個交叉領域——材料計算模擬，綜合了凝聚態(tài)物理、材料物理學、理論化學、材料力學、工程力學和計算機算法等相關學科。

材料基因組由材料計算手段、實驗手段和數(shù)字化數(shù)據(jù)庫3大模塊組成。這3大模塊需要開發(fā)及整合集成，應用于材料從研發(fā)至服役周期的全過程，將現(xiàn)在材料的研發(fā)與應用從線性、孤立的流程變成交互、連續(xù)的流程網絡。同時，材料的創(chuàng)新基礎架構與現(xiàn)有產品設計框架將進行無縫結合，有望形成快速、整體的工程設計，推動更具競爭力的制造業(yè)發(fā)展。

在材料計算手段方面，目標是使用仿真軟件加速材料研發(fā)步驟，指導發(fā)現(xiàn)新材料，替代部分實驗測試。MGI計算工具開發(fā)將聚焦在3個方面：（1）創(chuàng)立精確材料結構與性能模型，并根據(jù)理論和實驗數(shù)據(jù)反復驗證模型；（2）開放式的平臺架構；（3）易使用且模塊化的友好界面。其重點是加速先進計算工具（軟件）的開發(fā)，尤其是針對目前快速增長的第一性原理計算和先進的建模算法。

在實驗手段方面，重點是高通量實驗工具的補充、驗證及與計算和模型的結合，以及實驗結果與其參量的函數(shù)關系，提高快速優(yōu)選實驗的定量性和可靠性，以此作為加速新材料研發(fā)的基礎。

在數(shù)字化數(shù)據(jù)庫方面，重點是數(shù)據(jù)的共享，以及有效地搜尋、判斷和分析利用，便于不同階段的研究人員和工程人員之間的交流，將數(shù)據(jù)與各階段模型和試驗整合，并強調數(shù)據(jù)的知識產權保護。

由此可見，材料基因組研究的重要意義在于：一是為新材料研發(fā)提供理論基礎和優(yōu)選方案，對新型材料與新技術的發(fā)明產生重大影響；二是可以促進材料科學由定性描述跨入到定量預測階段，提高材料的性能和質量，大幅縮短從研究到應用的周期，對經濟發(fā)展和國防建設做出重要貢獻。

上海材料基因組工程研究進展

目前，全國多地已經開始積極統(tǒng)籌區(qū)域優(yōu)勢資源，為加入國家材料基因組的整體計劃做準備，上海在全國率先開展了材料基因組方面的研究工作。上海市科學技術委員會主任壽子琪認為，當前材料基因組工程是國內外科技界的熱門方向，同時也是改變材料研發(fā)思維模式的重要舉措，上海具備良好的材料基因組研究基礎及條件，應集聚各方優(yōu)勢協(xié)同發(fā)展上海材料基因組工程。近一年來，一批材料基因組研究平臺的相繼建立，標志著上海在該領域的工作取得了突破性進展。

2015年1月23日，中國科學院上海硅酸鹽研究所無機材料基因科學創(chuàng)新中心成立。該中心集成了上海硅酸鹽研究所在計算材料、高通量合成與快速篩選、微結構表征、先進制造以及無機材料數(shù)據(jù)庫方面的優(yōu)勢研究力量，聚焦國家安全急需、極端環(huán)境服役的高性能陶瓷基復合材料，以及能源、環(huán)境、生物等新興領域發(fā)展需要的先進無機材料，致力于解決材料設計、快速篩選、智能制造等關鍵科學問題；基于材料基因組理念，運用計算模擬及高通量篩選平臺，系統(tǒng)開展多尺度與多層次的材料設計、制備工藝優(yōu)化、材料與器件服役行為研究等。中心還將在此基礎上，建立國內無機材料數(shù)據(jù)庫，期望在新材料探索和面向重大需求的關鍵材料集成制造等領域取得創(chuàng)新性成果，加速我國無機材料研究步伐，帶動和引領無機新材料的探索與研發(fā)。

2015年4月20日，上海交通大學材料基因組聯(lián)合研究中心揭牌。該中心將廣泛集聚校內外優(yōu)勢創(chuàng)新力量，創(chuàng)新體制機制，協(xié)同發(fā)展，積極探索資源共享的新型協(xié)作模式，共同發(fā)展材料基因組，促進材料研發(fā)及制造技術的快速發(fā)展，加快高性能結構、生物醫(yī)用、能源、信息等領域新材料的研發(fā)和產業(yè)應用，引領材料科技發(fā)展方向，為上海和全國，乃至世界先進材料產業(yè)及高端制造技術的發(fā)展做出貢獻。上海交通大學教授、中國工程院院士丁文江和中國工程院院士潘健生認為，材料創(chuàng)新研究已經跨入一個新時代，應該把握機遇，圍繞材料基因組工程，盡快建成共享、開放的研究平臺；注重多學科交叉融合，加強校內交流，組建科研大團隊；加強國際交流，與國際上最好的實驗室開展合作，逐步形成國際影響力。

2015年4月23日，在上海市科學技術委員會的支持下，我國首家地方性材料基因組研究機構——上海材料基因組工程研究院正式掛牌成立。該研究院將依靠各成員單位積極探索產學研深度融合的協(xié)同創(chuàng)新體制和機制，吸納國內外優(yōu)質資源，聚焦材料的重大應用與發(fā)現(xiàn)，在材料基因數(shù)據(jù)庫、集成計算與軟件開發(fā)、高通量材料制備與表征、服役與失效機理，以及產業(yè)化探索等領域的科學研究、技術開發(fā)和基地建設布局方面開展基礎性和應用性研究，加快研發(fā)速度、降低研發(fā)成本，服務于高端制造業(yè)和戰(zhàn)略新興產業(yè)，建成一個具有國際影響力的材料基因科技創(chuàng)新中心。同時，研究院還將為材料科學研究新模式和產學研一體化運行管理機制的探索提供基礎，為面向未來的學科高度融合式的現(xiàn)代材料科學的教學-科研-人才培養(yǎng)提供基地。

上海發(fā)展材料基因組工程的思考和建議

材料基因組工程提供了革命性的新材料研發(fā)理念和方法，必將對上海的相關產業(yè)發(fā)展起到積極的促進作用。目前，上海正在加快建設具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心，應該緊密結合上海產業(yè)結構特點和升級發(fā)展需求，同時主動融入相關領域科技創(chuàng)新資源集聚的趨勢和過程中，盡早做好涵蓋頂層協(xié)調機制、多層次牽引平臺和協(xié)同創(chuàng)新文化等要素的材料基因組工程規(guī)劃布局，形成服務國家發(fā)展戰(zhàn)略、對接上海產業(yè)發(fā)展的全方位發(fā)展格局。

第一，以國家及上海重大戰(zhàn)略需求為導向，大力推進上海的材料基因組工程布局。

材料基因組工程研究的最終目標是加快新材料的研發(fā)過程，實現(xiàn)新材料研制成本和研制周期雙減半。上海應盡快瞄準國防軍工、先進能源、高性能復合材料等上海急需且具備良好研究基礎的材料應用領域進行布局，突出重點，聚焦3～4種典型材料，深化材料基因組研究的認識，取得經驗后再逐步推廣。具體包括：（1）特種金屬與高溫合金材料，如航空發(fā)動機和燃氣輪機渦輪葉片用高溫合金；（2）先進能源材料，如鋰離子電池材料；（3）高性能復合與輕量化結構材料，如大飛機、航空航天用關鍵輕量化材料；（4）先進智能與特種功能材料，如電子信息材料、生物醫(yī)學材料等。

第二，突出政府主導作用，構建跨部門、領域和學科的頂層協(xié)調機制，推動材料基因組工程的健康可持續(xù)發(fā)展。

材料基因組的核心思想是理論知識和實踐經驗的協(xié)同互促，目的在于實現(xiàn)材料的定制式快速、準確設計和供應，以滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展需要。上海應學習和借鑒國外成功的發(fā)展經驗，針對傳統(tǒng)材料研究相關部門之間缺乏協(xié)同的弊端，以政府主導為核心建立材料基因組工程的發(fā)展戰(zhàn)略和技術路線圖，盡快確立引導官產學研通力合作的頂層協(xié)調和保障機制，充分體現(xiàn)及保證全市各優(yōu)勢單位順利開展協(xié)同創(chuàng)新，推動材料基因組工程的健康可持續(xù)發(fā)展，逐步突破限制高端制造業(yè)發(fā)展的新材料研發(fā)瓶頸。

第三，強化重大項目帶動作用，搭建基礎研究、關鍵技術和知識產權等多層次平臺，牽引材料基因組工程從示范走向應用。

政府的經費支持和政策激勵對材料基因組工程的發(fā)展十分重要，企業(yè)、高校和研究院所的自主創(chuàng)新更不可或缺。上海要充分調動各方積極性，按照總體發(fā)展規(guī)劃和技術路線，有序出臺材料基因組工程研究重大項目指南，通過政府財政性項目資助，帶動材料基因組研究成果受益企業(yè)和社會資本的配套支持。同時，在優(yōu)化配置基礎上，上海應加強材料基因組的基礎平臺建設，在市級層面建立資源充分共享的計算平臺、高通量實驗平臺、數(shù)據(jù)庫平臺以及材料服役與失效平臺。

第四，注重人才核心作用，創(chuàng)建學科交叉、區(qū)域聯(lián)動的復合型專業(yè)團隊，培養(yǎng)材料基因組工程的協(xié)同創(chuàng)新文化。

中國科學院物理研究所研究員、中國工程院院士陳立泉強調，材料基因組工程研究涉及材料、物理、化學、力學、計算機等諸多學科，是典型的交叉領域，絕對不是以研究人員個體為主的傳統(tǒng)意義上的理論計算，而是多學科協(xié)同創(chuàng)新，這是材料基因組工程的重要特征。

因此，上海應培養(yǎng)材料基因組工程的協(xié)同創(chuàng)新文化。首先，在滬相關高校和研究院所應該著手開展復合型專業(yè)人才培養(yǎng)的試點工作，及早培育下一代材料科研工作者。其次，整合在滬相關單位的科研力量，組建聯(lián)動共享的專業(yè)團隊，充分利用各種平臺等基礎設施，協(xié)同發(fā)展，避免各自為戰(zhàn)。第三，要有針對性地與國內外相關機構建立合作研究、交流互訪機制，加速形成材料基因組工程的協(xié)同創(chuàng)新文化。