美欧材料基因工程计划研究现状及启示

　　1 研究背景

　　新材料的发展长期以来采用的是通过以经验、半经验为基础的传统 “炒菜”式实验来摸索，并给予确认的研究模式。这种模式的效率很低，已经难以适应当前世界各国经济快速发展的需求，而且需耗费大量的资源、能源和人力，非常不经济。材料科学家一直在寻求研究和发展新材料的更快速、更经济、更有效的新途径。凝聚态物理的多体相互作用模型及理论的重大进展、计算物理学科和方法体系的建立、计算机科学和技术的飞速进步等，使得对材料的结构进行计算预测及其性能模拟计算日益成为必要和可能。

　　美国、欧盟、日本、新加坡、中国等世界主要国家/地区都非常注重材料计算与模拟的发展，组织实施了一系列相关的研究计划和项目。始于 2001 年的美国能源部 “高级计算科学发现项目”是开发新一代科学模拟计算机的综合计划[1].早在 2003 年，美国国家研究委员会针对美国国防部对材料与制造研究的需求进行了研究，并推荐将计算材料设计研究作为投资的主要方向。欧洲科学基金会的 “材料的从头算模拟先进概念”计划 （ AB - initio Simula-tions of Materials,Psi - k2） 致力于开发凝聚态材料在原子层级的 “从头算”计算方法[2], “生物系统与材料科学的分子模拟”则关注开发计算工具，用于了解生物系统以及人工纳米材料的介观结构。

　　2002 年，日本文部科学省启动纳米生物技术、能源和环境领域 “生产技术先进仿真软件”的开发；2009 年，开始 “间隙控制材料设计和利用技术”;同年，文部科学省和经济产业省联合推行 “分子技术战略”[3].新加坡高性能计算研究院开发的 APEX（ Advanced Process Expert） 数据挖掘技术已被用于解决工业问题，研究内容包括计算化学、多尺度建模、固态电子学和纳米结构等。

　　2011 年 6 月 24 日，美国总统奥巴马宣布了一项超过 5 亿美元的 “先进制造业伙伴关系”计划，其中一项举措就是实施 “材料基因组计划” （ MaterialsGenome Initiative,MGI） ; 几乎是同时，欧洲也启动了 “加速冶金” （ Accelerated Metallurgy,AccMet）计划。这两项大型的研究计划都意在加速材料研发和应用的速度，并通过降低研发成本和周期降低失败风险。美国试图打造全新 “环形”开发流程，推动材料科学家重视制造环节，并通过搜集众多实验团队以及企业有关新材料的数据、代码、计算工具等，构建专门的数据库实现共享，致力于攻克新材料从实验室到工厂这个放大过程中的问； 欧洲则认为，在过去一万年，对人类的技术进步，相比其他材料，金属和合金贡献最大，加之欧盟历来重视防范原材料的风险，因而此次专注于高性能合金的开发。表 1 所示是美国、欧洲正在开展的材料基因组相关研究的概况对比。【1】

　　
　　以下对美国、欧洲的这两项计划以及我国开展的相关工作做一概要介绍。

　　2 美欧材料基因工程计划主要研究内容

　　2. 1 美国： 材料基因组计划

　　2011 年 6 月，美国总统奥巴马宣布启动“材料基因组计划”,旨在加快新材料从发现、创新、制造到商业化的步伐，使材料研究、开发方式从完全“经验型”向理论“预测型”进行转变，试图把新材料的开发周期缩短一半。该计划将发展一个集成计算模拟、实验和数据库为一体的材料创新平台，建立材料的成分/工艺 - 组织结构 - 性能之间的定量关系。

　　这种定量关系是贯穿材料从发明发现、设计表征、制备生产、服役回收整个周期的主线，是材料研发的核心[4].材料基因组计划试图创造一个材料创新框架，以期抓住材料发展的机遇，重点包括以下三方面内容： （ 1） 打造材料创新基础； （ 2） 通过先进材料实现国家目标； （ 3） 培育下一代材料工作者。通过材料创新基础设施的融合发展，将对人类福祉、清洁能源、下一代劳动力、国家安全等领域产生深远影响，如图 1 所示。【2】

　　
　　2. 2 欧洲： 冶金欧洲

　　2011 年，欧盟 FP 7 提出了“加速冶金”科学计划，致力于高性能合金的研发。AccMet 采用高通量组合材料实验技术，加快发现和优化更高性能的合金配方，将通常需要 5 ~ 6 年的研发时间缩短到一年以内[5].AccMet 计划项目的核心理念是为未进行开发的合金配方的合成试验和表征测试提供一个集成的中试设施。其创新之处在于使用了新开发的可自动控制的直接激光沉积技术，这样合金元素粉末的混合物被直接、精确地送入激光的聚焦点，通过激光束加热沉积在熔池的衬底上，并最终固化形成具有精确化学计量的完全致密合金[6].

　　在 AccMet 的基础上，欧盟 2012 年提出了“冶金欧洲”（ Metallurgy Europe） 研究计划。AccMet 主要集中在合金的设计和模拟方面，升级的“冶金欧洲”研究计划更注重在工业领域的应用。“冶金欧洲”确定了 17 个未来的材料需求和 50 个跨行业的冶金研究主题，课题研究期间为 2012-2022 年，其价值及影响涉及清洁能源、绿色交通、卫生保健和下一代制造等，如图 2 所示。已被确定的 50 个研究主题在未来几十年对欧洲工业具有很高的战略和技术价值。这些主题主要包括以下三类： （ 1） 材料发现； （ 2） 创新设计、金属加工和优化； （ 3） 冶金基础理论。研究内容包括： 理论研发活动、实验、建模、材料表征、性能测试、原型设计和工业规模化等。

　　3 美欧材料基因工程计划组织及参与机构

　　两年以来，美国材料基因组计划从起步阶段仅有4 家联邦机构（ 能源部 DOE、国防部 DoD、国家科学基金会 NSF 以及商务部下属的国家标准与技术研究院NIST） 及 6 300 万美元投资，到现在拥有数以亿元计的资金，以及全美的大学、企业、专业团体、科研人员广泛加入，共同致力于材料科学与创新领域的发展。

　　AccMet 属于欧盟 FP 7 的大型整体合作项目，共有 31 个欧洲机构参与该计划，由欧洲航天局（ ESA）统一管理。项目跨度 5 年，开始时间为 2011 年 6 月，总预算为 2 195 万欧元。

　　2012 年 5 月，欧洲科学基金会发布“MetallurgyEurope – A Renaissance Programme for 2012-2022 ”报告，创立了“冶金欧洲”研究计划，时间跨度为 10 年（ 2012-2022 年） .经费资助主要来自公私两方面，如欧盟“地平线 2020”、欧盟成员国资助机构、欧盟工业界、EIRO 论坛和学术界等，总经费约 1 亿欧元。全欧洲约有 400 ~ 500 名研究人员将获得该项目的资助，同时还将与澳大利亚、巴西、加拿大、以色列、俄罗斯和南非等国家开展战略合作。

　　4 我国相关工作概况

　　从以上的简要分析可以看出，材料基因工程的研究受到了包括美国、欧洲、日本等在内的世界主要发达国家/地区的重视，各国纷纷投入巨资加速新材料的设计。我国在材料基因组方面也正在开展一系列的研究工作。

　　中国科学院、中国工程院正在组织相关的咨询调研工作。国内不少钢铁企业已经率先认识到计算机模拟的重要性，引进了热力学、动力学等计算软件及数据库，用于高附加值优质钢铁材料的研发。国内高等院校和科研院所在第一性原理计算、分子动力学计算、材料设计、材料表征、性能测量、计算热力学与动力学、有限元分析模拟、多尺度集成计算及材料数据库建设等相关领域开展了基础性的工作。

　　中国科学院和中国工程院于 2011 年底召开以“材料科学系统工程”为主题的香山科学会议，以师昌绪和徐匡迪为代表的多位院士提出中国应尽快自主建立以高通量材料计算模拟、高通量组合材料实验、材料共享数据库为基础的“材料基因组计划”平台。2012 年 12 月，由工程院领衔的“材料科学系统工程发展战略研究---中国版材料基因组计划”重大项目启动。2013 年 11 月 11 ~12 日，中国科学院“材料基因组计划”咨询项目研讨会在北京召开，与会人员就材料基因组中的高通量计算与材料预测、高通量材料组合设计实验、数据库建立与科学管理和先进物性实验及表征等内容做了专题报告。

　　经不完全统计，我国开展材料基因组方面工作的高校、机构和企业有： 清华大学、中国科大、南京大学、山东大学、西安交大、电子科大、上海大学、复旦大学、兰州大学、北京化工大学、北京应用物理与计算数学研究所、中国建筑材料科学研究总院、中国电子科技集团、东方电气集团，以及中科院合肥物质院、物理所、金属所、上硅所、大连化物所、半导体所等单位[7].

　　5 启示与建议

　　我们认为，材料基因工程技术研究具有两方面的重要作用： 一是为高技术新材料研制提供理论基础和优选方案，对新型材料与新技术的发明产生先导性和前瞻性的重大影响； 二是促进材料科学与工程由定性描述跨入到定量预测阶段，提高材料性能和质量，大幅缩短从研究到应用的周期，对经济发展和国防建设做出重要贡献[8].不光美、欧加大了材料理论与计算设计方面研究的人力和财力的投入，争夺该领域某个方面的领先地位[9],日本在玻璃、陶瓷、合金钢等材料的数据库、知识库和专家系统方面也开展了很多工作[10].为此，谨提出以下建议：

　　（ 1） 制定专门政策，加速发展。美国的材料基因组计划启动至今已有两年半，欧洲的相关研究也不晚，而我国在相关领域起步比较晚，整体水平与先进国家相比仍有很大差距。如何加快推进并实施中国版的材料基因组计划，是当前面临的重要问题。美国的研究工作涉及各种材料的设计及数据库建设，欧洲则侧重于金属合金材料。在保证安全的前提下，出台符合我国国情的、有助于推进材料新技术发展的政策，制定发展路线图，规划基础研究、产业化、工程应用的发展路线，且不要陷入反复追赶的怪圈。

　　（ 2） 重视大数据管理。开展材料基因工程研究离不开海量数据的处理。2012 年 3 月，美国政府宣布了大数据研究和发展计划来推进从大数据集合中获取知识和洞见的能力，从而使增加依靠信息计算技术与专业领域的集成来加速行业发展的思路变得更加清晰。我国在开展大数据工作的同时，数据治理需提到重要地位。宏观层面，解决“数据割据”问题需顶层设计，各个单元需在“数据孤岛”之间架起桥梁； 微观层面，需注重“数据质量”,包括数据的正确性、完整性、一致性。此外，需有法律法规界定数据资产的归属和使用。北大、上海交大、人大、北航等高校已经设立了数据科学的研究机构和专业。

　　（ 3） 突出优势，开展产学研合作。美国在执行材料基因组计划的过程中，注重高校、研究机构与企业的合作。如美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室“国家能源研究科学计算中心”联合麻省理工学院开发的开放平台网络工具 Materials Project 与 Intermolecular公司合作，以改善该工具的预测水平。

　　目前国内先进功能材料技术的发展和应用受到实验室条件的限制，还存在基础设施上的技术瓶颈需要克服。然而，以合肥为例，中科院在该地区具有优势物质学科群，微尺度物质科学和同步辐射等国家级大型实验平台，强磁场实验装置、同步辐射装置等大科学装置群，以及在先进功能材料制备和表征方面具备良好技术优势。美国材料基因组计划是联邦跨部门的合作计划，“冶金欧洲”也涉及欧盟及其成员国层面的机构。

　　我国在开展相关工作时，也需有国家相关部门以及中科院、工程院、相关学会/协会等的协调，开展跨界合作，各取所长，抱团发展，鼓励企业介入研发，切实打通新材料从设计、制备到应用的研发链条。