人類有基因組計(jì)劃，材料界也有一個(gè)材料基因組計(jì)劃。材料基因組計(jì)劃是何方神圣？

    2011年6月24日美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在卡耐基？梅隆大學(xué)作的以 “先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”為主題的演講中提出了“材料基因組計(jì)劃”（The Materials Genome Initiative, MGI）。一年之后，白宮科技政策辦公室和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）在白宮開(kāi)了一次以 “促成一個(gè)全國(guó)性的運(yùn)動(dòng)”為目標(biāo)的會(huì)議，要求廣泛參與和大力促成。此后材料基因組計(jì)劃作為一個(gè)國(guó)家性的“運(yùn) 動(dòng)”正在美國(guó)積極地展開(kāi)。據(jù)稱是美國(guó)開(kāi)國(guó)以來(lái)繼曼哈頓計(jì)劃、阿波羅計(jì)劃、人類基因組計(jì)劃之后的第四大重大科研計(jì)劃。隨后，材料基因組的概念得到了全球材料科學(xué)家的響應(yīng)。

    為什么美國(guó)要推出這個(gè)材料基因組計(jì)劃？這就要說(shuō)到傳統(tǒng)材料科學(xué)研究存在的問(wèn)題了。

    傳統(tǒng)材料科學(xué)研究主要依賴“試錯(cuò)” 實(shí)驗(yàn)方法，按照“提出假設(shè)-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的方式順序 迭代，從而不斷逼近目標(biāo)材料。而且造成材料研發(fā)與應(yīng)用的割裂。一種新材料從研發(fā)到應(yīng)用需要10-20年，已無(wú)法滿足工業(yè)快速發(fā)展對(duì)新材料的需求，急需通過(guò)變革研究方法推進(jìn)材料科學(xué)的加速發(fā)展。因此，旨在縮短研發(fā)周期和研發(fā)成本的材料基因組計(jì)劃，一經(jīng)推出就得到廣泛響應(yīng)。

    那么，材料基因組計(jì)劃用什么手段來(lái)縮短研發(fā)周期和研發(fā)成本？當(dāng)前的材料研究的思路是對(duì)成分、工藝的調(diào)整，獲得具有理想微結(jié)構(gòu)與性能匹配的目標(biāo)材料。 材料基因組計(jì)劃研發(fā)思路是建立成分、工藝、微結(jié)構(gòu)、性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，然后根據(jù)材料對(duì)性能的需求，設(shè)計(jì)符合要求的微結(jié)構(gòu)；根據(jù)這種聯(lián)系，設(shè)計(jì)并優(yōu)化材料成分與工藝。

    為何稱之為材料基因組計(jì)劃？難道材料內(nèi)部也有跟人類一樣的類似于基因的東西？材料中當(dāng)然沒(méi)有基因。但是材料基因組計(jì)劃于人類基因組計(jì)劃還是很相似的。人類基因中的DNA和RNA的排列決定人體的主要性能）；而材料中原子的性質(zhì)和排列包括晶體結(jié)構(gòu)和缺陷決定了材料的內(nèi)在性能。

    “人類基因組”技術(shù)是通過(guò)高通量測(cè)序裝置對(duì)生物基因芯片上的幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)條DNA分子進(jìn)行并行快速序列測(cè)定，并將結(jié)果儲(chǔ)存在生物基因大數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算解析生命密碼；與此類似，“材料基因組技術(shù)”也是通過(guò)高通量實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)組合材料芯片上的10—106 個(gè)樣品單元進(jìn)行高通量表征，并將所獲得的材料性能數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)得到材料“成分-結(jié)構(gòu)-性能”的構(gòu)效映射關(guān)系，最終改變傳統(tǒng)材料研究方法，加速材料研發(fā)進(jìn)程。

    那么，材料基因組計(jì)劃的內(nèi)涵都有哪些？白宮科技政策辦公室在2011年6月24日發(fā)布的相應(yīng)的白皮書(shū)《具有全球競(jìng)爭(zhēng)力的材料基因組計(jì)劃》中闡述了材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施的三個(gè)平臺(tái)： 計(jì)算工具平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)工具平臺(tái)和數(shù)字化數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)庫(kù)及信息學(xué)）平臺(tái)。也就是說(shuō)材料基因組計(jì)劃由三大塊組成：計(jì)算工具、實(shí)驗(yàn)手段和數(shù)字化數(shù)據(jù)。

    通過(guò)高通量的材料實(shí)驗(yàn)，為材料模擬計(jì)算提供大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，充實(shí)材料數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以針對(duì)具體應(yīng)用需求，快速篩選目標(biāo)材料。材料計(jì)算模擬是實(shí)現(xiàn)“材料按需設(shè)計(jì)”的基礎(chǔ)，可以幫助縮小高通量材料實(shí)驗(yàn)范圍，提供實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)；材料數(shù)據(jù)庫(kù)可以為材料計(jì)算模擬提供計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為高通量材料實(shí)驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)，同時(shí)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)所得的材料數(shù)據(jù)亦可以豐富材料數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)。

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責(zé)任編輯：汪玉玲

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