很多時候，人類科技發展的腳步，往往囿于材料的性能。目前，從新材料的最初發現到最終工業化應用一般需要10 ～ 20 年的時間。新材料的研發步伐嚴重滯后于產品的設計。如今，材料研究最前沿領域的重要方法論-- 材料基因組工程，正引領著越來越多研究人員，以更短的時間、更低的成本， 致力于新材料的研發。

　那么，什么是材料基因組？它如何促使目前對新材料的研究開發？材料基因組研究漸漸成為我國材料領域發展面臨的重大歷史機遇和嚴峻挑戰…… 《腐蝕防護之友》記者， 隨行國家材料環境腐蝕平臺主任、北京科技大學李曉剛教授，于近期拜訪了中國工程院王海舟院士。王院士是我國冶金分析表征領域多項新技術及表征方法的倡導者及發明人， 對于我國材料基因組工程的發展有著深刻的見解及觀點，本刊擷取王院士對我國材料基因組計劃發展的精彩建議，分享給關注材料基因工程發展的業界人士，希望可以為推動材料基因組工程的發展盡己之力。

　　中國工程科技論壇大會特邀報告現場掠影
 

　   材料基因組三大平臺系統相互交聯

　王院士如數家珍，他說：“材料基因組計劃，是從應用需求出發，倒推符合相應結構功能的材料，這樣一種顛覆性的改變，意味著需要對各種材料有足夠多的認識和積累，包括結構、性能、工藝優化等等。”

　據王院士介紹，通過建立基本單元與高通量表征技術的革命性方式，將大大縮短新材料研發應用周期，數據預測計算模擬平臺、數據庫平臺、表征實驗平臺三大平臺系統相互交聯、融合，最為重要。其中， 表征實驗平臺（高通量合成與表征）是材料基因組計劃的實驗基礎，是新材料基本單元預設計的篩查、合成和驗證的重要試驗保障，是新材料基本單元設計調整優化的重要試驗依據。

　基本單元指能直接反映材料性能差異的最小物質單元，材料基因組可以反映材料某種特性的“基本單元”及其“組裝” 機理。而表征組裝過程中基本單元的組成、取向、變異、摻雜統計分布等演變規律， 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驗表征的思路，一是指基本單元經過高通量合成、表征與篩查，經過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程及介觀尺寸新材料高通量表征功能，針對不同新材料具備基本單元組裝試驗模擬功能，組裝過程原位表征功能，再組裝介觀材料大尺度統計分布高通量表征功能；在這兩大基礎上，最終實現新材料組成- 組織結構- 性能相關性高通量表征功能。

　王院士強調這三大平臺要融合，材料基因組單獨依靠某一學科是落不到實處的， 三者結合才能發揮材料基因組的優勢，真正形成研發短流程，才能縮短材料研究的過程。即能夠同時大量合成、表征新型材料， 例如研究者對某種材料進行研究，可以拿出幾百種材料方案，之所以能在很短時間內找到最優化的方案，材料基因組方法至為關鍵。

　當下是大數據時代，有了數據的支持， 研究者可以更快對各種材料的性能、參數作了解，從數據庫中提取過去的材料之間的相關性，再根據材料科學的本身原理進行計算，結合起來提出一些可能滿足需求的特種性能。結合大數據方法，材料基因組可以同時對成千上萬種新材料進行預測、篩選、合成和表征。
 

　
　陪同外賓參觀材料表征實驗室及惰氣脈沖熔融-飛行時間質譜檢測儀
 

　已有材料的研發新設計同樣重要

　在人們的目光都投向新材料的發現時， 王院士思考得更多。他提出，將現有材料改性、工藝的優化，同樣適用材料基因組計劃，是很重要的。例如美國GH169 高合金材料，在研究的過程中，它的牌號沒變， 但研究者不斷的改變其性能，并對材料進行調整優化，使得材料發生很大的變化， 形成全新的材料，保留材料品質的同時， 開發出新特性。從這一面，說明現有材料改性和工藝的優化都屬于材料基因組很重要的組成部分。
 

指導博士生進行原位統計分布分析表征研究
 

　這給研究者一個全新視角，現有材料都可以用材料基因組的方法進行優化改造。其中的依據就是任何材料的本質是非均勻性的，它的性能制約因素是非均勻性的制約。如點蝕， 點蝕部分的脆性，代表局部問題，說明材料本身組成結構的非均勻性制約了材料， 那意味著，如果將現有的材料或者某個研究階段的材料，把所有的點對點計算，做出統計的話，將發現正態和非正態的分布。

　從成分來說，從零值到百分百都有， 任何一個點的成分都不一樣的，任何點的組成結構也都不一樣，那我們可以進行一個點對點的解析。如果能做到把每一個位置點，變成介觀尺度，把每個位置的組成， 結構做出來，性能也可以做出來，你就會發現一些位置是如何多樣性地組成各種結構，有非常好的力學性能或其它性能。那這意味著，我們通過現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，大量現有材料通過材料基因組的方法就可以進行改造，發現材料的最佳的結構，這也意味著我們國家的工藝已經優化。非常實用，對于國民經濟發展非常重要，即材料基因組對材料的工藝優化。王院士說，現在美國也有很多的方法，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。但芯片有個突出的問題， 芯片采取的工藝和后面的工藝是脫節的， 不論是3D 打印，噴射冶金，這個工藝和生產工藝是不一樣的。這是因為我們從實際樣品提取的是現在的工藝，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，即現有的工藝做出來的狀態，把每個局部的性能都能做出來的話， 發現某個區域的性能非常好，進行工藝改進，最后形成新的材料。

　【后記】

　愉悅的談話已經結束，院士的話語依然在耳邊縈繞，我們通過這種難得的機會， 零距離了解我們國家科學家們的思想，眾志成城，實現“材料科學系統工程發展戰略研究-中國版材料基因組計劃”的科學夢，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家們共同推進，集齊一批批優秀青年學者和研究人才去實現它。
 

　向為中華發展而奮斗的所有人，致敬！
　
     衍生閱讀：     

　什么是材料基因組工程？

　“材料基因組工程”是通過高通量的第一性原理計算，結合已知的、可靠的實驗數據與表征技術平臺、數據預測計算模擬平臺、數據庫系統的基礎上，用理論和計算模擬去嘗試發現新的未知材料，并建立其化學組分、晶體結構和各種物性的數據庫，通過數據挖掘探尋材料結構和性能之間的關系模式，研發并形成創新材料商用產品。材料基因組工程涉及材料知識庫、計算和設計、可控制備、精確表征和性能服役等環節研究人員的交叉、融合及協同創新。

　材料基因組如何應運而生？

　傳統的材料研制方法主要為試錯法， 即利用現有關于材料的理論與知識經驗， 通過調整研究材料配比，進行表征測試和檢驗，最終找到滿足需求的材料。這樣的方法導致材料研發周期過長，遠不能滿足人們對新材料的需求，“能否有一個更加科學的方法替代試錯法？能不能在現有數據庫平臺的基礎上，通過數學計算、材料的原理來預測要達到某種材料所需要的組成，然后再通過實驗進行合成，并檢測是否符合要求？”正是基于這樣的考量，“材料基因組計劃”應運而生。

　材料基因組計劃的意義？

　“材料基因組計劃”試圖揭示物質構成、不同元素排列與材料功能之間關系， 進而實現有目的設計新材料的科學工程， 也是當今先進材料及高端制造業領域的一大舉措。材料基因組計劃可以將新材料的研發速度“至少翻一番”，實現材料領域發展模式的轉變，把新材料研發和應用速度從目前的10 ～ 20 年縮短為5 ～ 10 年。它能夠揭示物質構成、不同元素排列與材料功能之間的關系，進而實現有目的地設計新材料。


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責任編輯：班英飛

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