材料基因組計劃（MGI）專題學習報告

1、 .wd. .wd. .wd.材料基因組方案MGI專題學習報告在美國2012 年財政預算中，新增了1 億美元用以支持一項名為“材料基因組的創(chuàng)新方案。美國“材料基因組方案試圖創(chuàng)造一個材料創(chuàng)新框架，以期抓住材料開展中的機遇，這個試圖提醒物質構成、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，有著更強烈的實用和需求背景，也是美國為保持其在先進材料及高端制造業(yè)領域領先地位的一大舉措。十多年前的中國沒有能抓住“人類基因組方案的先機，面臨比“人類基因組方案更為重要和廣泛的“材料基因組方案，我們不能再次喪失歷史機遇。 本文主要介紹我對材料基因方案的認識和對我們國家若何能抓住這次歷史機遇

2、提出自己的認識并提出展望。2011 年6 月24 日，美國總統奧巴馬宣布啟動一項價值超過5億美元的“先進制造業(yè)伙伴關系Advanced ManufacturingPartnership，AMP方案，呼吁美國政府、高校及企業(yè)之間應加強合作，以強化美國制造業(yè)領先地位，而“材料基因組方案Materials Genome Initiative，MGI作為AMP 方案中的重要組成局部，投資將超過1 億美元。“材料基因組方案是“先進制造業(yè)伙伴關系方案的主要根基局部，新興材料才是新型制造業(yè)的根基。MGI 的實施正是抓住了AMP方案實施的“牛鼻子，是重中之重1。這是金融危機之后，美國政府意識到僅靠服務業(yè)已無法

3、支撐美國經濟走出泥潭，必須重振制造業(yè)。美國制造業(yè)的振興不是傳統制造業(yè)的復興，而是新興制造業(yè)的培育，其中建設在材料科學根基上的新材料產業(yè)是重點之一。2011年9月16日，奧巴馬簽署了?美國創(chuàng)造法案?，對現行專利體制進展重大變革，并宣布了一系列旨在促進科研成果轉化的重要政策措施?？梢钥闯?，美國當前的科技政策更加重視科技成果的商業(yè)化和開發(fā)新市場的改革，“材料基因組方案也表達出了這一特點：該方案將大大加快材料投入市場的種類及速度，并可通過降低研發(fā)成本和周期降低失敗不安全因素。回憶1999 年中國參與了“人類基因組方案的研究，負責其中3號染色體短臂上約3000萬對堿基的測序任務。雖然參加時間晚，承擔任務

4、最少，占總任務的1%，但工作效率和工作質量卻得到了國際HGP工程組的公認，于2001年8 月26日完成了中國卷局部。但是坦誠的說，中國并沒有趕上這次方案的機遇，近10年來，“人類基因組研究的成果，應用在研究人類乃至生命本質一系列問題上所展示的光輝，無不令世人驚嘆，參加“人類基因組方案HGP方案我們晚了，MGI方案我們不能再晚了，要抓住機遇，將我們國家的新材料研究水平提上一個新的水平。一、“材料基因組方案的主要內容“材料基因組方案是美國經過信息技術革命后，充分認識到材料革新對技術進步和產業(yè)開展的重要作用，以及在復興制造業(yè)的戰(zhàn)略背景下提出來的。其主要目的是試圖把新材料的開發(fā)周期縮短一半，打造全新“

5、環(huán)形開發(fā)流程，推動材料科學家重視制造環(huán)節(jié)，并通過搜集眾多實驗團隊以及企業(yè)有關新材料的數據、代碼、計算工具等，構建專門的數據庫實現共享，致力于攻克新材料從實驗室到工廠這個放大過程中的問題。材料基因組方案主要包括3大系統：材料超級計算系統、材料性能掃描測試技術系統和材料設計性能數據庫與信息平臺系統。該方案可能的影響：一是將進一步發(fā)揮和加強美國的技術優(yōu)勢和創(chuàng)新能力；二是將進一步增強美國在新材料產業(yè)的領先地位；三是為美國進一步做大先進制造業(yè)打下關鍵和堅實的根基，四是將開創(chuàng)新材料研發(fā)的新局面。與“人類基因組工程類似，“材料基因組工程是通過高通量的第一性原理計算，結合的可靠實驗數據，用理論模擬去嘗試盡可能

6、多的真實或未知材料，建設其化學組分、晶體和各種物性的數據庫，并利用信息學、統計學方法，通過數據挖掘探尋材料構造和性能之間的關系模式，為材料設計師提供更多的信息。根據以上內容可知MGI的重點內容就是：1打造材料創(chuàng)新根基。將開發(fā)新的集成式計算、實驗和數據信息學工具，將這些貫穿整個材料研發(fā)鏈，提高預測能力，用新標準實現整個材料的創(chuàng)新根基數字化信息的整合，與現代產品的設計框架無縫結合，推動材料工程研發(fā)、設計的快速化、全面化開展。2開發(fā)數據共享平臺。數據共享將促進不同開發(fā)階級的各國科學家和工程師跨國跨學科交流。3通過先進材料方案，希望在國家安全材料研發(fā)方面投入巨資，特別關注輕質保護材料、電子材料、儲能材

7、料、生物替代材料、稀土關鍵材料等領域。美國國家科學院國家研究理事會在其綜合計算材料的報告中展望了“材料基因組方案潛在的優(yōu)勢：結合材料計算工具與信息以及復雜的已在工程領域使用的計算和分析工具，材料的開發(fā)周期可從目前的1020年縮短為23年。二、“材料基因組方案的意義國外提出“材料基因組亦稱之為“材料基因工程的概念，“材料基因組主要包括3大系統：材料超級計算系統、材料性能掃描測試技術系統和材料設計性能數據庫與信息平臺系統。此3大系統是新材料設計的3大支柱，其目的就是尋找和建設材料從原子排列到相的形成到顯微組織的形成到材料性能與使用壽命之間的相互關系，把成分-構造-性能關系的數據庫與計算材料設計結合

8、起來，以期加快材料研發(fā)速度、降低材料研發(fā)的成本、提高材料設計的成功率，從而縮短材料開發(fā)的時間跨度2?！安牧匣蚪M工程是一種新提法，本質上仍為材料計算模擬，作為一個穿插領域，綜合了凝聚態(tài)物理、材料物理學、理論化學、材料力學、工程力學和計算機算法等相關學科。半導體超晶格材料、非線性光學材料和自旋電子材料等都是材料設計的成功范例。目前，大局部材料的設計與測試是通過耗時的重復實驗來完成的，實際上，有些實驗通過計算工具就能完成。計算不僅可以深入理解材料的細節(jié)，節(jié)約研發(fā)成本，而且在某些特殊情況下，計算可以用來代替或指導實驗，例如：材料還未能制備出來，無法測量它們的性質；有些材料可能會對人體安康有害，或者處

9、在高壓、超低溫、強磁場等某些極端條件下，實驗測量很難實現或者消耗巨大。“材料基因組方案將為新的研究范式開展提供一個必要的工具集，強大的計算分析將減少對物理實驗的依賴，改進的數據共享系統和更加一體化的工程團隊將允許設計、系統工程和生產活動的重疊與互動。這種新的綜合設計將結合更多的計算與信息技術，再加上實驗與表征方面的進步，將顯著加快材料投入市場的種類及速度。三、“材料基因組方案的展望從大的方面來講，新材料產業(yè)已被世界公認為最重要、開展最快的高新技術產業(yè)之一。新材料與信息技術、生物技術共同構成了當今世界高新技術的三大支柱，成為產業(yè)進步、國民經濟開展和保證國防安全的重要推動力。因此，工業(yè)興旺國家都高

10、度重視新材料在國民經濟和國防安全中的根基地位和支撐作用，為保持其經濟和科技的領先地位，都把開展新材料作為科技開展戰(zhàn)略的優(yōu)先目標，在制定國家科技與產業(yè)開展方案時，無不將新材料列為優(yōu)先開展的關鍵技術之一，給予重點關注?！安牧匣蚪M工程科學研究具有2方面的重要作用：一是為高技術新材料研制提供理論根基和優(yōu)選方案，對新型材料與新技術的創(chuàng)造產生先導性和前瞻性的重大影響；二是可以促進材料科學與工程由定性描述跨入到定量預測階段，提高材料性能和質量，大幅縮短從研究到應用的周期，對經濟開展和國防建設作出重要奉獻。許多國家都加大了材料理論與計算設計方面的人力和財力投入，都在爭奪該領域某個方面的領先地位和知識產權。例

11、如，日本在玻璃、陶瓷、合金鋼等材料的數據庫、知識庫和專家系統方面開展了很多工作；美國在計算材料科學方面一直處于領先水平，橡樹嶺國家實驗室、美國國家標準與技術研究院、麻省理工學院等也都有一定的優(yōu)勢。材料計算模擬與材料的制備/加工、材料表征同屬于共性材料技術。在未來的開展趨勢方面，隨著計算技術的快速開展、科學理論模型的日漸成熟，在微觀、介觀和宏觀等不同層次上，在分子、原子、電子等不同層面，按預定性能設計新材料將日趨成熟；以“按需設計材料為目標的多尺度、跨層次材料設計將得到重視；材料微構造的協同設計也會受到關注。四、“材料基因組方案在國內的進展情況我在“十二五規(guī)劃聽取意見的時候已經提出過，最重要的是

12、建設材料科學的平臺，上海是有這個優(yōu)勢的，這個平臺包括材料基因組方案所需要的數據庫、工藝流程、大量的原始數據以及國內外同行做成功的大量材料的案例。比方我所在的中科院上海硅酸鹽研究所和國內相關研究所研究各種晶體，在通過大量摻雜數據和由此產生新晶體和新功能方面有不少數據，如果別人能夠查閱到這些數據，就能防止將已經探索過的路再走一遍3。要公開自己積累的數據不是那么容易的，這其中牽扯到各個科研機構的利益問題，所以沒能夠實施。為應對美國提出的材料基因組研究方案，深入探討我國應若何規(guī)劃、實施自己的材料科學系統工程，以“材料科學系統工程為主題的S14次香山科學會議學術討論會，于2011年12月2123日在北京

13、舉行。與會專家在討論中指出：(1) 我國亟須整合現有零散的計算算法和程序開發(fā)小組，集中優(yōu)勢力量，形成規(guī)?；拈L期穩(wěn)定的開發(fā)隊伍，開發(fā)自主知識產權的第一性原理計算軟件，擺脫國外軟件的壟斷和限制；(2)建設以第一性原理計算為主的多層次材料計算和預測平臺，以基地或中心建設為主，堅持軟硬件結合，形成對用戶的有效支持；(3) 建設合理的評價體制，培養(yǎng)各領域的能夠開展算法和開發(fā)程序的穿插型人才，建設計算平臺開發(fā)梯隊。為加速我國新材料的研發(fā)過程，開展真正有用的國際領先的新材料，并為我國的新材料產業(yè)化體系提供技術和人才儲藏，我們急需抓住這次機遇，整合和完善我國的材料研究和產業(yè)化體系。專家建議：共用平臺協同建設；重點材料示范突破；強化政策導向作用；個人認為這些還是要走中國特色道路，和平演變，穩(wěn)定各方機構的既得利益，這樣的話中國的材料基因組研究方案將還需要更長的時間才能真正形成模式，