本刊記者 | 劉　娟

 

　　很多時(shí)候，人類科技發(fā)展的腳步，往往囿于材料的性能。目前，從新材料的最初發(fā)現(xiàn)到最終工業(yè)化應(yīng)用一般需要10 ～ 20 年的時(shí)間。新材料的研發(fā)步伐嚴(yán)重滯后于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。如今，材料研究最前沿領(lǐng)域的重要方法論-- 材料基因組工程，正引領(lǐng)著越來(lái)越多研究人員，以更短的時(shí)間、更低的成本， 致力于新材料的研發(fā)。

 

　　那么，什么是材料基因組？它如何促使目前對(duì)新材料的研究開(kāi)發(fā)？材料基因組研究漸漸成為我國(guó)材料領(lǐng)域發(fā)展面臨的重大歷史機(jī)遇和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)…… 《腐蝕防護(hù)之友》記者， 隨行國(guó)家材料環(huán)境腐蝕平臺(tái)主任、北京科技大學(xué)李曉剛教授，于近期拜訪了中國(guó)工程院王海舟院士。王院士是我國(guó)冶金分析表征領(lǐng)域多項(xiàng)新技術(shù)及表征方法的倡導(dǎo)者及發(fā)明人， 對(duì)于我國(guó)材料基因組工程的發(fā)展有著深刻的見(jiàn)解及觀點(diǎn)，本刊擷取王院士對(duì)我國(guó)材料基因組計(jì)劃發(fā)展的精彩建議，分享給關(guān)注材料基因工程發(fā)展的業(yè)界人士，希望可以為推動(dòng)材料基因組工程的發(fā)展盡己之力。

　　中國(guó)工程科技論壇大會(huì)特邀報(bào)告現(xiàn)場(chǎng)掠影
 

　    材料基因組三大平臺(tái)系統(tǒng)相互交聯(lián)

 

　　王院士如數(shù)家珍，他說(shuō)：“材料基因組計(jì)劃，是從應(yīng)用需求出發(fā)，倒推符合相應(yīng)結(jié)構(gòu)功能的材料，這樣一種顛覆性的改變，意味著需要對(duì)各種材料有足夠多的認(rèn)識(shí)和積累，包括結(jié)構(gòu)、性能、工藝優(yōu)化等等。”

 

　　據(jù)王院士介紹，通過(guò)建立基本單元與高通量表征技術(shù)的革命性方式，將大大縮短新材料研發(fā)應(yīng)用周期，數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)計(jì)算模擬平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)、表征實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三大平臺(tái)系統(tǒng)相互交聯(lián)、融合，最為重要。其中， 表征實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（高通量合成與表征）是材料基因組計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，是新材料基本單元預(yù)設(shè)計(jì)的篩查、合成和驗(yàn)證的重要試驗(yàn)保障，是新材料基本單元設(shè)計(jì)調(diào)整優(yōu)化的重要試驗(yàn)依據(jù)。

 

　　基本單元指能直接反映材料性能差異的最小物質(zhì)單元，材料基因組可以反映材料某種特性的“基本單元”及其“組裝” 機(jī)理。而表征組裝過(guò)程中基本單元的組成、取向、變異、摻雜統(tǒng)計(jì)分布等演變規(guī)律， 將為新材料的工藝路線提供重要參考。

 

　　王院士向我們介紹了材料基因組中高通量實(shí)驗(yàn)表征的思路，一是指基本單元經(jīng)過(guò)高通量合成、表征與篩查，經(jīng)過(guò)基本單元試樣模擬合成和基本單元高通量表征篩查；另一方面指基本單元組裝過(guò)程及介觀尺寸新材料高通量表征功能，針對(duì)不同新材料具備基本單元組裝試驗(yàn)?zāi)M功能，組裝過(guò)程原位表征功能，再組裝介觀材料大尺度統(tǒng)計(jì)分布高通量表征功能；在這兩大基礎(chǔ)上，最終實(shí)現(xiàn)新材料組成- 組織結(jié)構(gòu)- 性能相關(guān)性高通量表征功能。

 

　　王院士強(qiáng)調(diào)這三大平臺(tái)要融合，材料基因組單獨(dú)依靠某一學(xué)科是落不到實(shí)處的， 三者結(jié)合才能發(fā)揮材料基因組的優(yōu)勢(shì)，真正形成研發(fā)短流程，才能縮短材料研究的過(guò)程。即能夠同時(shí)大量合成、表征新型材料， 例如研究者對(duì)某種材料進(jìn)行研究，可以拿出幾百種材料方案，之所以能在很短時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)化的方案，材料基因組方法至為關(guān)鍵。

 

　　當(dāng)下是大數(shù)據(jù)時(shí)代，有了數(shù)據(jù)的支持， 研究者可以更快對(duì)各種材料的性能、參數(shù)作了解，從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取過(guò)去的材料之間的相關(guān)性，再根據(jù)材料科學(xué)的本身原理進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合起來(lái)提出一些可能滿足需求的特種性能。結(jié)合大數(shù)據(jù)方法，材料基因組可以同時(shí)對(duì)成千上萬(wàn)種新材料進(jìn)行預(yù)測(cè)、篩選、合成和表征。
 

　
　陪同外賓參觀材料表征實(shí)驗(yàn)室及惰氣脈沖熔融-飛行時(shí)間質(zhì)譜檢測(cè)儀
 

　　已有材料的研發(fā)新設(shè)計(jì)同樣重要

 

　　在人們的目光都投向新材料的發(fā)現(xiàn)時(shí)， 王院士思考得更多。他提出，將現(xiàn)有材料改性、工藝的優(yōu)化，同樣適用材料基因組計(jì)劃，是很重要的。例如美國(guó)GH169 高合金材料，在研究的過(guò)程中，它的牌號(hào)沒(méi)變， 但研究者不斷的改變其性能，并對(duì)材料進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，使得材料發(fā)生很大的變化， 形成全新的材料，保留材料品質(zhì)的同時(shí)， 開(kāi)發(fā)出新特性。從這一面，說(shuō)明現(xiàn)有材料改性和工藝的優(yōu)化都屬于材料基因組很重要的組成部分。
 

指導(dǎo)博士生進(jìn)行原位統(tǒng)計(jì)分布分析表征研究
 

　　這給研究者一個(gè)全新視角，現(xiàn)有材料都可以用材料基因組的方法進(jìn)行優(yōu)化改造。其中的依據(jù)就是任何材料的本質(zhì)是非均勻性的，它的性能制約因素是非均勻性的制約。如點(diǎn)蝕， 點(diǎn)蝕部分的脆性，代表局部問(wèn)題，說(shuō)明材料本身組成結(jié)構(gòu)的非均勻性制約了材料， 那意味著，如果將現(xiàn)有的材料或者某個(gè)研究階段的材料，把所有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)計(jì)算，做出統(tǒng)計(jì)的話，將發(fā)現(xiàn)正態(tài)和非正態(tài)的分布。

 

　　從成分來(lái)說(shuō)，從零值到百分百都有， 任何一個(gè)點(diǎn)的成分都不一樣的，任何點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)也都不一樣，那我們可以進(jìn)行一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的解析。如果能做到把每一個(gè)位置點(diǎn)，變成介觀尺度，把每個(gè)位置的組成， 結(jié)構(gòu)做出來(lái)，性能也可以做出來(lái)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)一些位置是如何多樣性地組成各種結(jié)構(gòu)，有非常好的力學(xué)性能或其它性能。那這意味著，我們通過(guò)現(xiàn)有的材料找到性能最佳的基本單元。

 

　　如果能建立這種方法的話，大量現(xiàn)有材料通過(guò)材料基因組的方法就可以進(jìn)行改造，發(fā)現(xiàn)材料的最佳的結(jié)構(gòu)，這也意味著我們國(guó)家的工藝已經(jīng)優(yōu)化。非常實(shí)用，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常重要，即材料基因組對(duì)材料的工藝優(yōu)化。王院士說(shuō)，現(xiàn)在美國(guó)也有很多的方法，就像芯片組成配比，可以有3D 打印，噴射冶金，粉末壓片組合， 也可以自由組合。但芯片有個(gè)突出的問(wèn)題， 芯片采取的工藝和后面的工藝是脫節(jié)的， 不論是3D 打印，噴射冶金，這個(gè)工藝和生產(chǎn)工藝是不一樣的。這是因?yàn)槲覀儚膶?shí)際樣品提取的是現(xiàn)在的工藝，如高溫合金是定向凝固取樣，做高溫合金里面的成分， 這是原始狀態(tài)，即現(xiàn)有的工藝做出來(lái)的狀態(tài)，把每個(gè)局部的性能都能做出來(lái)的話， 發(fā)現(xiàn)某個(gè)區(qū)域的性能非常好，進(jìn)行工藝改進(jìn)，最后形成新的材料。

 

　　【后記】

 

　　愉悅的談話已經(jīng)結(jié)束，院士的話語(yǔ)依然在耳邊縈繞，我們通過(guò)這種難得的機(jī)會(huì)， 零距離了解我們國(guó)家科學(xué)家們的思想，眾志成城，實(shí)現(xiàn)“材料科學(xué)系統(tǒng)工程發(fā)展戰(zhàn)略研究-中國(guó)版材料基因組計(jì)劃”的科學(xué)夢(mèng)，我們知道，這樣的一件事，需要許許多多像王海舟院士一樣的科學(xué)家們共同推進(jìn)，集齊一批批優(yōu)秀青年學(xué)者和研究人才去實(shí)現(xiàn)它。