美國主導的“材料基因組計劃”可能會引發(fā)—— 新材料研發(fā)的一場革命
2011年6月底，白宮發(fā)布了美國國家科學技術委員會起草的“材料基因組計劃”白皮書（Materials Genome Initiative，MGI）。白皮書提出，要實現(xiàn)材料領域發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，把新材料研發(fā)和應用的速度從目前的10～20年縮短為5～10年。
面向需求
基因組是指包含在DNA中的關于一個生命體組織發(fā)育的一系列遺傳信息，在非生物環(huán)境中應用時，指的是計劃中的每一個基本構(gòu)建要素。材料基因組的研究目標是根據(jù)物質(zhì)構(gòu)成的基本原理設計新材料，這種設計從原子尺度出發(fā)直接面向最終的應用需求。材料“發(fā)現(xiàn)”這一概念并不僅限于對某種新材料的化學基團的發(fā)現(xiàn)，廣義上還應包括對材料性能加工和加工過程中的發(fā)現(xiàn)，甚至提出理論發(fā)展的新途徑。
目前，新材料從研發(fā)到市場應用時間跨度非常長，某種新材料從最初的研究開發(fā)，經(jīng)性能優(yōu)化、系統(tǒng)設計與集成、驗證、制造到首次投入市場通常需要10~20年時間。部分原因是一直以來過度依賴對材料研發(fā)的科學直覺與實驗判斷，目前大部分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，只是現(xiàn)在尚無法驗證計算模擬的準確程度。
此外，材料的生命周期并沒有隨著投入市場而結(jié)束，未來更多的行業(yè)和消費者會關注材料的回收與可持續(xù)發(fā)展，材料工程師設計新材料時必須考慮可回收性等更多的因素。
材料基因組計劃將為新的研究范式發(fā)展提供必要的工具，強大的計算分析將減少對物理實驗的依賴。改進的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)和一體化的工程團隊將允許設計、系統(tǒng)工程與生產(chǎn)活動的重疊與互動。這種新的綜合設計將結(jié)合更多的計算與信息技術，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，材料的開發(fā)周期可從目前的10~20年縮短為5~10年。
重點內(nèi)容
材料基因組計劃試圖創(chuàng)建的材料創(chuàng)新框架，重點包括以下三方面的內(nèi)容：
一，打造材料創(chuàng)新基礎。材料基因組計劃將開發(fā)新的集成式計算、實驗和數(shù)據(jù)信息學工具。這些軟件和集成工具將貫穿整個材料研發(fā)鏈，它們采用一種開放平臺進行開發(fā)，以提高預測能力，并按最新標準，實現(xiàn)整個材料創(chuàng)新基礎數(shù)字化信息的整合。這一基礎將與現(xiàn)有產(chǎn)品設計框架無縫結(jié)合，推動材料工程設計向快速化、全面化發(fā)展。
二，開發(fā)數(shù)據(jù)共享平臺。材料基因組計劃的目的不僅是讓研究人員能夠輕松地將自己的數(shù)據(jù)導入模型，同時還要使研究和工程人員能夠彼此整合數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)共享還將促進處于不同材料開發(fā)階段的科學家和工程師的跨學科交流。
三，通過先進材料希望達到的目標。這一計劃的提出者認為，美國目前面臨的如清潔能源、國家安全和人類福祉等方面緊迫挑戰(zhàn)的求解都有賴于先進材料的發(fā)展。
1，國家安全相關材料。美國國防部和國防實驗室都在材料研究方面投入巨資。研究實驗室更關注輕質(zhì)保護材料、電子材料、儲能材料、生物替代材料等。美軍方希望使用先進材料來保護和武裝軍事力量，同時，如稀土等關鍵材料在國家安全等領域也將發(fā)揮難以替代的作用。
2，人類健康和福利相關材料。先進材料的許多應用可解決人類健康和福利面臨的挑戰(zhàn)——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。防止創(chuàng)傷性腦損傷設計的先進材料對于包括運動員和軍事人員等在內(nèi)的很多用戶群體都有潛在的好處。
3，清潔能源系統(tǒng)相關材料。開發(fā)清潔能源、減少對于石油的依賴是美國明確優(yōu)先發(fā)展的項目。材料研究可以幫助找到新技術，如為生物燃料生產(chǎn)更好的催化劑、直接從陽光產(chǎn)生能量的人工光合作用、新穎高效的太陽能光伏、便攜式能源存儲設備等。先進材料（如高效率、低成本、輕量化結(jié)構(gòu)材料）還可以減少運輸對石油的依賴。
行動計劃
白宮自去年6月底推出材料基因組計劃的白皮書后，目前正向相關國家實驗室、大學等機構(gòu)征求政策建議。未來與此相關的重要安排有：
一，美國能源部將與國家科學基金會聯(lián)合開發(fā)、維護和實施可靠、可互操作和可重復利用的下一代物質(zhì)設計軟件。能源部將通過“材料和化學計算設計”項目，國家科學基金會將通過“21世紀科學與工程網(wǎng)絡基礎設施框架”項目，協(xié)調(diào)發(fā)展高品質(zhì)生產(chǎn)軟件工具包。
二，為支持先進軟件項目開發(fā)，能源部和國家科學基金會還將協(xié)調(diào)發(fā)展下一步的表征工具，為算法和軟件工具的發(fā)展提供基礎數(shù)據(jù)。
三，國家標準技術研究院主導的“先進材料設計”項目將針對標準基礎設施，參考數(shù)據(jù)庫和卓越中心的發(fā)展，使材料的發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化設計建模和仿真更可靠。該項目將與能源部、國家科學基金會的項目密切配合。
四，美國防部將重點投資計算材料的基礎研究和應用研究，提高材料性能滿足廣泛的國家安全需求，在材料防御系統(tǒng)保持技術優(yōu)勢。陸軍研究實驗室、海軍研究辦公室和空軍研究實驗室將共同參與研究。
五，能源部能源效率和可再生能源部門的新一代材料方案將包括：用于制造過程的新材料，提高材料性能和降低制造成本的新復合材料系統(tǒng)，用于預測空間和時間變化的建模和仿真工具等。
2011年6月底，白宮發(fā)布了美國國家科學技術委員會起草的“材料基因組計劃”白皮書（Materials Genome Initiative，MGI）。白皮書提出，要實現(xiàn)材料領域發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，把新材料研發(fā)和應用的速度從目前的10～20年縮短為5～10年。
面向需求
基因組是指包含在DNA中的關于一個生命體組織發(fā)育的一系列遺傳信息，在非生物環(huán)境中應用時，指的是計劃中的每一個基本構(gòu)建要素。材料基因組的研究目標是根據(jù)物質(zhì)構(gòu)成的基本原理設計新材料，這種設計從原子尺度出發(fā)直接面向最終的應用需求。材料“發(fā)現(xiàn)”這一概念并不僅限于對某種新材料的化學基團的發(fā)現(xiàn)，廣義上還應包括對材料性能加工和加工過程中的發(fā)現(xiàn)，甚至提出理論發(fā)展的新途徑。
目前，新材料從研發(fā)到市場應用時間跨度非常長，某種新材料從最初的研究開發(fā)，經(jīng)性能優(yōu)化、系統(tǒng)設計與集成、驗證、制造到首次投入市場通常需要10~20年時間。部分原因是一直以來過度依賴對材料研發(fā)的科學直覺與實驗判斷，目前大部分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，只是現(xiàn)在尚無法驗證計算模擬的準確程度。
此外，材料的生命周期并沒有隨著投入市場而結(jié)束，未來更多的行業(yè)和消費者會關注材料的回收與可持續(xù)發(fā)展，材料工程師設計新材料時必須考慮可回收性等更多的因素。
材料基因組計劃將為新的研究范式發(fā)展提供必要的工具，強大的計算分析將減少對物理實驗的依賴。改進的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)和一體化的工程團隊將允許設計、系統(tǒng)工程與生產(chǎn)活動的重疊與互動。這種新的綜合設計將結(jié)合更多的計算與信息技術，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，材料的開發(fā)周期可從目前的10~20年縮短為5~10年。
重點內(nèi)容
材料基因組計劃試圖創(chuàng)建的材料創(chuàng)新框架，重點包括以下三方面的內(nèi)容：
一，打造材料創(chuàng)新基礎。材料基因組計劃將開發(fā)新的集成式計算、實驗和數(shù)據(jù)信息學工具。這些軟件和集成工具將貫穿整個材料研發(fā)鏈，它們采用一種開放平臺進行開發(fā)，以提高預測能力，并按最新標準，實現(xiàn)整個材料創(chuàng)新基礎數(shù)字化信息的整合。這一基礎將與現(xiàn)有產(chǎn)品設計框架無縫結(jié)合，推動材料工程設計向快速化、全面化發(fā)展。
二，開發(fā)數(shù)據(jù)共享平臺。材料基因組計劃的目的不僅是讓研究人員能夠輕松地將自己的數(shù)據(jù)導入模型，同時還要使研究和工程人員能夠彼此整合數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)共享還將促進處于不同材料開發(fā)階段的科學家和工程師的跨學科交流。
三，通過先進材料希望達到的目標。這一計劃的提出者認為，美國目前面臨的如清潔能源、國家安全和人類福祉等方面緊迫挑戰(zhàn)的求解都有賴于先進材料的發(fā)展。
1，國家安全相關材料。美國國防部和國防實驗室都在材料研究方面投入巨資。研究實驗室更關注輕質(zhì)保護材料、電子材料、儲能材料、生物替代材料等。美軍方希望使用先進材料來保護和武裝軍事力量，同時，如稀土等關鍵材料在國家安全等領域也將發(fā)揮難以替代的作用。
2，人類健康和福利相關材料。先進材料的許多應用可解決人類健康和福利面臨的挑戰(zhàn)——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。防止創(chuàng)傷性腦損傷設計的先進材料對于包括運動員和軍事人員等在內(nèi)的很多用戶群體都有潛在的好處。
3，清潔能源系統(tǒng)相關材料。開發(fā)清潔能源、減少對于石油的依賴是美國明確優(yōu)先發(fā)展的項目。材料研究可以幫助找到新技術，如為生物燃料生產(chǎn)更好的催化劑、直接從陽光產(chǎn)生能量的人工光合作用、新穎高效的太陽能光伏、便攜式能源存儲設備等。先進材料（如高效率、低成本、輕量化結(jié)構(gòu)材料）還可以減少運輸對石油的依賴。
行動計劃
白宮自去年6月底推出材料基因組計劃的白皮書后，目前正向相關國家實驗室、大學等機構(gòu)征求政策建議。未來與此相關的重要安排有：
一，美國能源部將與國家科學基金會聯(lián)合開發(fā)、維護和實施可靠、可互操作和可重復利用的下一代物質(zhì)設計軟件。能源部將通過“材料和化學計算設計”項目，國家科學基金會將通過“21世紀科學與工程網(wǎng)絡基礎設施框架”項目，協(xié)調(diào)發(fā)展高品質(zhì)生產(chǎn)軟件工具包。
二，為支持先進軟件項目開發(fā)，能源部和國家科學基金會還將協(xié)調(diào)發(fā)展下一步的表征工具，為算法和軟件工具的發(fā)展提供基礎數(shù)據(jù)。
三，國家標準技術研究院主導的“先進材料設計”項目將針對標準基礎設施，參考數(shù)據(jù)庫和卓越中心的發(fā)展，使材料的發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化設計建模和仿真更可靠。該項目將與能源部、國家科學基金會的項目密切配合。
四，美國防部將重點投資計算材料的基礎研究和應用研究，提高材料性能滿足廣泛的國家安全需求，在材料防御系統(tǒng)保持技術優(yōu)勢。陸軍研究實驗室、海軍研究辦公室和空軍研究實驗室將共同參與研究。
五，能源部能源效率和可再生能源部門的新一代材料方案將包括：用于制造過程的新材料，提高材料性能和降低制造成本的新復合材料系統(tǒng)，用于預測空間和時間變化的建模和仿真工具等。
