關(guān)注材料基因組計劃

2011年6月24日，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動一項價值超過5億美元的“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”(Advanced Manufacturing Partnership，AMP)計劃，呼吁美國政府、高校及企業(yè)之間應(yīng)加強合作，以強化美國制造業(yè)領(lǐng)先地位，而“材料基因組計劃”(Materials Genome Initiative，MGI)作為AMP計劃中的重要組成部分，投資將超過1億美元。

“材料基因組計劃”是美國經(jīng)過信息技術(shù)革命后，充分認(rèn)識到材料革新對技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要作用，以及在復(fù)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“環(huán)形”開發(fā)流程，推動材料科學(xué)家重視制造環(huán)節(jié)，并通過搜集眾多實驗團(tuán)隊以及企業(yè)有關(guān)新材料的數(shù)據(jù)、代碼、計算工具等，構(gòu)建專門的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)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。材料基因組計劃主要包括3大系統(tǒng):材料超級計算系統(tǒng)、材料性能掃描測試技術(shù)系統(tǒng)和材料設(shè)計性能數(shù)據(jù)庫與信息平臺系統(tǒng)。該計劃可能的影響:一是將進(jìn)一步發(fā)揮和加強美國的技術(shù)優(yōu)勢和創(chuàng)新能力;二是將進(jìn)一步增強美國在新材料產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先地位;三是為美國進(jìn)一步做大先進(jìn)制造業(yè)打下關(guān)鍵和堅實的基礎(chǔ)，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(jié)合已知的可靠實驗數(shù)據(jù)，用理論模擬去嘗試盡可能多的真實或未知材料，建立其化學(xué)組分、晶體和各種物性的數(shù)據(jù)庫，并利用信息學(xué)、統(tǒng)計學(xué)方法，通過數(shù)據(jù)挖掘探尋材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系模式，為材料設(shè)計師提供更多的信息。

為應(yīng)對美國提出的材料基因組研究計劃，深入探討我國應(yīng)如何規(guī)劃、實施自己的材料科學(xué)系統(tǒng)工程，以“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”為主題的S14次香山科學(xué)會議學(xué)術(shù)討論會，于2011年12月21～23日在北京舉行。

與會專家在討論中指出:(1)我國亟須整合現(xiàn)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)模化的長期穩(wěn)定的開發(fā)隊伍，開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)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(shè)以第一性原理計算為主的多層次材料計算和預(yù)測平臺，以基地或中心建設(shè)為主，堅持軟硬件結(jié)合，形成對用戶的有效支持;(3)建立合理的評價體制，培養(yǎng)各領(lǐng)域的能夠發(fā)展算法和開發(fā)程序的交叉型人才，建立計算平臺開發(fā)梯隊。

與會專家一致認(rèn)為:(1)材料基因組數(shù)據(jù)庫在利用信息學(xué)和統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行先進(jìn)材料探索和設(shè)計方面有著重要的不可替代作用，是材料科學(xué)系統(tǒng)工程的重要部分，是梳理、整合我國現(xiàn)有材料研究資源和成果的重要手段;(2)數(shù)據(jù)的采集、評估和認(rèn)證需要做到科學(xué)、公正，需要建立新的強有力體制，以保證數(shù)據(jù)庫做到真正的開放與共享;(3)建立材料的成分－組織－性能之間的定量關(guān)系是實現(xiàn)材料設(shè)計和生產(chǎn)從傳統(tǒng)經(jīng)驗式的“炒菜法”向科學(xué)化方法轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵，我國應(yīng)制定適合當(dāng)前實際情況的“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”，推動我國材料科學(xué)的基礎(chǔ)研究。現(xiàn)在啟動我國的材料科學(xué)系統(tǒng)工程是非常必要、及時和重要的，是建立我國新材料體系的重要一環(huán);(4)我國先進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)已獲得迅速發(fā)展，但是很多關(guān)鍵技術(shù)和材料受制于人，缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)，創(chuàng)新體系不完善，綜合競爭力不強;(5)我國的材料研究多以跟蹤為主，雖然有不少技術(shù)和工藝上的創(chuàng)新，但是工程化不夠，系統(tǒng)性不強，特別是在融合計算、測試和表征、開發(fā)、優(yōu)化的高速立體材料開發(fā)模式尚未形成。

為加速我國新材料的研發(fā)過程，發(fā)展真正有用的國際領(lǐng)先的新材料，并為我國的新材料產(chǎn)業(yè)化體系提供技術(shù)和人才儲備，我們急需抓住這次機遇，整合和完善我國的材料研究和產(chǎn)業(yè)化體系。專家建議:

共用平臺協(xié)同建設(shè) 建立幾個集理論計算平臺、數(shù)據(jù)庫平臺和測試平臺三位一體的“材料科學(xué)系統(tǒng)工程中心”，結(jié)合國家大科學(xué)工程項目，集中國內(nèi)材料計算與模擬領(lǐng)域優(yōu)勢力量，通力合作，跟上并引領(lǐng)國際材料領(lǐng)域新一輪發(fā)展的浪潮:(1)加速開發(fā)包括第一性原理計算在內(nèi)的多層次理論支撐的材料設(shè)計、性能預(yù)測、工藝優(yōu)化和服役性能分析的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的各種模型、算法和大規(guī)模科學(xué)計算軟件;建設(shè)集成化、網(wǎng)絡(luò)化的計算、模擬平臺;(2)建立國家級“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”數(shù)據(jù)庫公用平臺，搜索引擎和分析軟件，在體制機制上保證平臺的開放共享;(3)建立材料設(shè)計、合成、制備、測試和表征、性能優(yōu)化、中試等各種平臺。

重點材料示范突破 選擇一些國家急需的、戰(zhàn)略需要的、國內(nèi)有良好基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)材料和功能材料作為示范突破，通過與平臺建設(shè)相結(jié)合，進(jìn)行演示示范，為更大范圍的推廣積累經(jīng)驗。

強化政策導(dǎo)向作用 成立一個包括政府機構(gòu)、科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)代表在內(nèi)的指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會，全面協(xié)調(diào)從材料基礎(chǔ)研究、軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)庫建立、測試平臺直至產(chǎn)業(yè)化工作，以充分發(fā)揮我國社會主義制度在統(tǒng)籌科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)化革命的優(yōu)越性;建議有條件的教育機構(gòu)設(shè)立相關(guān)課程。 (本刊通訊員摘編)