王海舟，謝建新

a Beijing Advanced Innovation Center for Materials Genome Engineering, China Iron and Steel Research Institute Group, Beijing 100081, China

b Beijing Advanced Innovation Center for Materials Genome Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

21世紀(jì)之交，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集、獲取和處理的能力不斷增強(qiáng)，科學(xué)技術(shù)發(fā)展邁入了一個(gè)海量數(shù)據(jù)+人工智能的新階段，也稱(chēng)為“第四范式”，其目標(biāo)是提高研發(fā)效率，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本[1]。2011年美國(guó)政府宣布實(shí)施材料基因組計(jì)劃（MGI）[2]，這恰好與材料科學(xué)長(zhǎng)期以來(lái)的追求不謀而合。材料基因組計(jì)劃開(kāi)辟了一條具有前瞻性的研發(fā)新路徑，其通過(guò)將計(jì)算、實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)技術(shù)與理論相結(jié)合，建立以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料預(yù)測(cè)新模型，變革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)法。材料基因組計(jì)劃推出不久，世界各國(guó)也相繼啟動(dòng)了類(lèi)似的研究計(jì)劃。歐盟啟動(dòng)了第七框架計(jì)劃下的“加速冶金學(xué)”“2012—2022年歐洲冶金復(fù)興計(jì)劃”“地平線2020”“石墨烯旗艦”等計(jì)劃，以加速高性能合金及新一代材料的研發(fā)。德國(guó)相繼頒布“材料研究（1984—1993年）”“材料技術(shù)”“為工業(yè)和社會(huì)而進(jìn)行材料創(chuàng)新”“關(guān)于實(shí)施工業(yè)4.0戰(zhàn)略的建議白皮書(shū)”“數(shù)字戰(zhàn)略2025”等計(jì)劃，以鼓勵(lì)各種社會(huì)力量參與新材料研發(fā)。日本啟動(dòng)“元素戰(zhàn)略研究（2007年）”“元素戰(zhàn)略研究基地（2012年）”“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室構(gòu)筑支援事業(yè)之信息統(tǒng)合型物質(zhì)材料開(kāi)發(fā)（2015年）”“信息集成型物質(zhì)和材料研發(fā)計(jì)劃”“2015年版制造白皮書(shū)”等計(jì)劃。韓國(guó)啟動(dòng)“新增長(zhǎng)動(dòng)力產(chǎn)業(yè)規(guī)劃及發(fā)展戰(zhàn)略”“納米融合2020項(xiàng)目”“第三次科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃”“未來(lái)增長(zhǎng)動(dòng)力落實(shí)計(jì)劃”“韓國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)振興計(jì)劃（2017—2019年）”等計(jì)劃。俄羅斯發(fā)布了“2030年前材料與技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略”和“至2030年科技發(fā)展預(yù)測(cè)”。

我國(guó)于2016年正式啟動(dòng)“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺(tái)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，圍繞實(shí)現(xiàn)研發(fā)周期縮短一半、研發(fā)成本降低一半（即“兩個(gè)一半”）的戰(zhàn)略目標(biāo)，構(gòu)建支撐我國(guó)材料基因工程研究和協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展的高通量計(jì)算、高通量合成與表征和專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)等三大示范平臺(tái)，研發(fā)材料的高通量計(jì)算方法、高通量制備技術(shù)、高通量表征與服役評(píng)價(jià)技術(shù)、面向材料基因工程的材料大數(shù)據(jù)技術(shù)四大關(guān)鍵技術(shù)，并在能源、生物醫(yī)用、稀土功能、催化、特種合金等五類(lèi)典型材料開(kāi)展應(yīng)用示范，以驗(yàn)證研發(fā)技術(shù)的先進(jìn)性和適用性，實(shí)現(xiàn)新材料研發(fā)由傳統(tǒng)“經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)式”向“理論預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”新模式的轉(zhuǎn)變及突破。

本期材料基因工程專(zhuān)題共收錄了6篇材料基因工程相關(guān)論文，涉及以下方面：

劉梓葵在《數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)——“數(shù)據(jù)?！薄芬晃闹刑岢鲂枰环N鏈接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)反饋的新工具的觀點(diǎn)，從而建立材料數(shù)據(jù)和新型“材料基因”的可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)海，其作用超越用個(gè)別相圖預(yù)測(cè)失效行為。

汪洪等在《數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施》一文中認(rèn)為，作為一種新的材料創(chuàng)新范式，材料基因工程需要一個(gè)全新的以數(shù)據(jù)為中心的基礎(chǔ)設(shè)施，其中包括數(shù)據(jù)設(shè)施、高通量實(shí)驗(yàn)和高通量計(jì)算，涵蓋數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和利用。數(shù)據(jù)設(shè)施包括基于AI方法的建模軟件工具庫(kù)與符合材料基因工程理念的數(shù)據(jù)庫(kù)。理想情況下，數(shù)據(jù)應(yīng)通過(guò)“數(shù)據(jù)工廠”的高通量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算快速生成，“數(shù)據(jù)工廠”是一個(gè)能夠批量生產(chǎn)的集中式或虛擬鏈接平臺(tái)，以確保數(shù)據(jù)高度集成化、系統(tǒng)化、一致性和全面性。

數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符（DID）是各種數(shù)據(jù)庫(kù)中必不可少的標(biāo)簽，在范式向以數(shù)據(jù)為中心的材料信息學(xué)轉(zhuǎn)變的時(shí)代尤為重要。王毅等發(fā)表了一篇題為《數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)編碼——連接材料基因組工程數(shù)據(jù)庫(kù)與可傳承集成智能制造的橋梁》的文章，提出了一種由一組構(gòu)建鏈組成的DID通用格式，該DID靈活方便，可以在各種云平臺(tái)之間擴(kuò)展和共享。因此，可以通過(guò)智能手機(jī)或特定機(jī)器構(gòu)造和精確識(shí)別/解碼經(jīng)典的二維碼。通過(guò)將這些二維碼作為基于云平臺(tái)鏈接的一組數(shù)據(jù)的指紋，可以自發(fā)地跟蹤“成分—工藝—組織結(jié)構(gòu)—性能”工作流過(guò)程中的進(jìn)度/更新。

組合材料科學(xué)可以簡(jiǎn)化合成過(guò)程，并通過(guò)多種表征技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。Naila M. Al Hasan等在題為《Ni-Ti-Cu-V四元薄膜庫(kù)中微觀結(jié)構(gòu)和相變的組合合成和高通量表征》的研究中，采用磁控濺射法在熱氧化硅片上制備了具有成分分布的Ni-Ti-Cu-V薄膜陣列。使用高通量波長(zhǎng)色散光譜、同步輻射X射線衍射和電阻測(cè)量等對(duì)Ni-Ti基形狀記憶合金的相變溫度和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，基于薄膜庫(kù)的局部微觀結(jié)構(gòu)和組成，討論了四元體系相圖和功能特性與薄膜庫(kù)的局部微結(jié)構(gòu)及組成的相關(guān)性。

實(shí)際材料是復(fù)雜而又多元的，其本質(zhì)具有非均勻性。任何材料在特定尺度下都不可能是絕對(duì)均勻的，實(shí)際材料可視為不同部位具有微小差異的“自然芯片”。王海舟等在《高通量統(tǒng)計(jì)映射表征技術(shù)研究進(jìn)展及其應(yīng)用》一文中綜述了多尺度高通量統(tǒng)計(jì)映射表征技術(shù)的研究進(jìn)展，并介紹了其在鋼鐵、高溫合金、鍍鋅和硅鐵合金等材料中的應(yīng)用。

計(jì)算機(jī)模擬已成為材料基因工程的重要組成部分，在材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展迅速。Zhong等在題為《Grade 91鋼抗蠕變性能的計(jì)算熱力學(xué)研究》一文中，通過(guò)仿真結(jié)果解釋了影響Grade 91鋼的抗蠕變性的機(jī)理，并通過(guò)優(yōu)化鋼的成分、焊接及熱處理工藝參數(shù)，為提高Grade 91鋼在高溫下的抗蠕變性能提供了可能的解決方案，以改善合金的抗蠕變性能，防止IV型裂紋的產(chǎn)生，對(duì)今后合金的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。