材料基因組技術是一種貫穿材料“發現-研發-生產-應用”全生命周期過程的工具技術，具體包含了高通量材料計算、高通量材料實驗、材料數據庫三大要素平臺的建立以及協同融合使用。三大平臺將與現有的產品設計框架無縫銜接，通過理論模擬和計算完成先進材料的“按需設計”，這種顛覆性的改變，在短期內可將材料周期至少縮短一半，成本降低一半，即材料基因組技術是材料開發的“加速器”。這是當今國際材料領域正在發展的一種新型的、系統性的、高效率的材料研發方法，預計將會引發一系列技術創新和商業模式變革。

    一、美國材料基因組計劃發展背景

    現階段，從新材料的發現到最終工業化應用一般需要10~20年的時間，新材料的研發模式主要依據研究者的科學認知和大量重復的“嘗試法”實驗。美國、歐洲等在材料領域具備先發優勢的國家逐漸意識到這種傳統材料研究方法已跟不上其工業快速發展的需求。革新材料研發方法，加速材料從研發到應用的進程成為各國共同的需求。

    近十幾年來，美國對于材料實驗技術與方法研究持續進行了巨大投入，發展出一系列的先進材料研發實驗工具，包括先進的高通量材料制備與表征方法與技術。基于這個前提，美國在2011年提出了材料基因組計劃（MaterialsGenomeInitiative，MGI），意在通過結合使用計算能力、數據管理和新的綜合性方法，使這些先進的實驗工具發揮更大的效能。2012財年，奧巴馬拔出1億美元專款支持啟動這項計劃。

    二、美國材料基因組計劃的目標

    材料基因組計劃是2011年先進制造業伙伴計劃中的重要子計劃，匯聚了美國多個部門的資源。該計劃主要包括三個目標。

    一是開發一種全新的材料創新架構，通過新材料研制周期內各個環節的彼此銜接，加速美國材料技術的進步，提升其先進制造業能級，保持美國在核心科技領域的優勢和全球的競爭力。

    二是利用高級材料實現國家目標，包括國家安全相關材料、人類健康和福利相關材料和清潔能源系統相關材料。1、國家安全相關材料。包括輕質保護材料、電子材料、儲能材料、生物替代材料、稀土關鍵材料等。2、人類健康和福利相關材料。從生物相容性材料到防受傷的保護材料設計（如假肢或人工器官）。3、清潔能源系統相關材料。如生物燃料催化劑、直接從陽光產生能量的人工光合作用、高效的太陽能光伏、便攜式能源存儲設備等。

    三是培養新一代的材料研究工作團隊，在先進材料研究中形成更加開放、協作的氛圍，培育大團隊協作性的網絡，強化“官產學研用”之間的協作與共享機制，類似于我國提出的“協同創新”。

    三、美國材料基因組的行動計劃

    美國材料基因組的行動計劃見下表。

    四、啟示與建議

    美國材料基因組計劃具有重要的借鑒作用，我國和上海發展材料基因組工程可從以下三個方面著手：

    一是加強材料基因組技術理念的宣傳推廣。科技等相關部委有必要定期組織研討會講座等形式的活動，介紹推廣這一先進材料研究理念和方法，營造有利于不同學科、不同領域、不同環節充分交流的氛圍，協同創新。

    二是盡快建設具有國際領先水平的材料基因組技術平臺。大型硬件平臺需要國家盡快投入，建成國家級設施，以公共資源的形式向全社會提供服務。另一方面，為推廣高通量材料實驗方法，在發展初期按照材料形態分類建立少量制備與表征的實驗技術推廣中心或示范平臺。

    三是充分發動各領域材料研發人員應用材料基因組技術和平臺快速研發工業發展亟需的關鍵新材料。如在重大專項、基金項目、軍工等項目指南中建議項目申報單位盡可能采用材料基因組的研究方法。

    延伸閱讀：美國材料基因組計劃實施的一系列舉措

    近些年以來，該計劃從起步階段僅有4家聯邦機構、6 300萬美元投資，到現在數以億計的資金，以及全美的大學、企業、專業團體、科研人員廣泛加入，共同致力于材料科學與創新領域的發展。2013年6Y]24日，在MGI實施2周年之際，美國部分大學、企業、聯邦機構及其他材料科學相關團體等發布了2O多項新的承諾，旨在推動該計劃第3年的發展。以下梳理一下該計劃實施以來，美國各界出臺的一系列舉措。

    一、高校籌建相關研究所和數據庫，并開設相關課程

    在計算材料科學、數據分析、實驗工具開發、材料合成與表征等方面官一產一學合作的基礎上，威斯康星大學麥迪遜分校工程學院計劃先期投入500萬美元建設威斯康星材料創新研究所。這個跨學科的技術樞紐中心將為材料研究團隊提供基礎設施、開創研究人員協同機制，并有望在創新方法、材料、新科學方向等方面夯實美國制造業的競爭力。

    二、相關材料學會建立論壇及數據網絡，并開展問卷調查

    2012年4fl，由美國礦物、金屬和材料學會（TMS）領銜開設了MGI網絡論壇，成員機構包括美國陶瓷學會（A CerS）、美國土木工程師學會（ASCE）、國際汽車工程師學會（SAEInternationa1）、材料信息學會（ASMInternationa1）、美國機械工程師學會（ASME）、大學材料委員會（uM C）、材料研究學會（MRS）、美國國家腐蝕工程師協會（NACE）、美國化學工程師協會（AIChE）、美國材料與過程工程促進會（SAMPE）和美國采礦、冶金與勘探協會（SME）等。各成員單位將不定期發布各自有關MGI的會議、出版物、培訓、新聞等各類活動。2012年11月，美國材料信息學會創立了計算材料數據網絡（Computational Materials DataNetwork）。總部位于馬里蘭州的管理及技術咨詢服務商Nexight Group公司承擔該網絡在初創階段的數據收集、發布、管理等事務，并就加工工藝材料數據、航空結構材料數據、國家材料研究數據庫等試驗項目開展小規模調研。該網絡還組建了由來自聯邦部門、行業學會、研究機構和相關企業等的專家組成的材料科學與工程領域咨詢團隊。

    三、聯邦機構設置諸多項目推

    進MGI在MGI實施過程中，主要有能源部、商務部、國防部和國家科學基金會通過項目申請、成立新研究機構等途徑開展相關項目的資助，同時，與私營企業等開展合作加速材料發現與開發。具體來看：

    1.能源部聯合高校及企業搭平臺、建新所

    2.商務部組建卓越研究中心

    3.國防部門開展數據基礎設施及結構材料合作研究

    4.國家科學基金會研究設施助力MGl

    四 MGI對我國的借鑒意義

    新材料的發展長期以來采用的是通過以經驗、半經驗為基礎的傳統“炒菜”式實驗來摸索，并給予確認的研究模式。這種模式的效率很低，已經難以適應當前世界各國經濟快速發展的需求，而且需耗費大量的資源、能源和人力，非常不經濟。新材料的研究應用時

    間跨度非常長，從設計、開發、實驗、優化、表征到集成，應用、首次投入市場，往往需要10～20年的時間。此外，各個環節的研究工作團隊“單打獨斗”，缺乏合作及數據共享，也是新材料發展的一大障礙。隨著經濟發展和科技進步，按需設計材料、精確控制性質已成為先進材料發展的一個必然趨勢。材料計算與模擬是實現我國材料科學與技術跨越式發展的有效途徑之一。為使我國材料行業擺脫跟蹤仿制的老路，順利實現材料產業的技術變革，應設立若干基礎研究項目，并加強平臺建設，開展深入研究，開發高級計算模擬方法及工具，助力科學發現，加速高性能材料的研發和產業化進程，增強我國在材料計算模擬領域的國際競爭力。

    在國家部門層面，出臺推動材料基因工程研究的相關政策措施和專項基金，輔助相關研究機構在業已取得研究成果的基礎上，進一步開展工作，推動我國在材料計算模擬領域的國際競爭力。在人才培養上，材料基因工程研究涉及材料、物理、化學、力學、計算機等諸多學科，對從事該領域的研究人員提出了更加全面、嚴格的知識能力要求。我國相關高校和研究院所在培養專業復合型人才方面，可以借鑒美國大學在機構（部門、實驗室）設置、校企合作、課程安排等方面的經驗。在合作交流方面，需要整合力量，抱團發展。國外在大型儀器設備、數據庫方面很注重資源共享，我國需要不斷學習國外這種廣開門路的精神，實現資源共享，避免“各自為政”、重復建設。此外，我國還可以與國外相關機構建立合作研究、交流互訪機制。針對美國MGI，我國在2011年12月召開了以“材料科學系統工程”為主題的香山科學會議。會議圍繞材料基因組數據庫、計算方法發展及計算模擬軟件的自主開發與整合、材料基因組快速測試平臺、重點材料的選取與示范性突破研究等議題展開了討論。2012年l2月，由工程院領銜的“材料科學系統工程發展戰略研究—— 中國版材料基因組計劃”重大項目啟動。相信從國家到地方一系列舉措的實施，必將大力推動我國材料基因組研究的長足發展。

責任編輯：王元

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