材料研制新模式：材料基因组计划

材料研制新模式：材料基因组计划
（董新龙   宁波大学）
（1）简介
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“推进制造业伙伴关系”计划，通过政府、高校及企业的合作来强化美国制造业，投资逾1亿美元的“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative）是其组成部分之一。。"材料基因组计划"是美国经过信息技术革命后，充分认识到材料革新对技术进步和产业发展的重要作用，以及在复兴制造业的战略背景下提出来的。数据共享与计算工具开发对MGI的成功至关重要。先进材料复杂的物理与化学特性可以因不同的应用需要而相应调整，并可以在合成、生产和使用过程中改变。对这些特性的跟踪是一项非常艰巨的任务，MGI的努力还包括将术语、数据归档格式和指南报告标准化。

美国材料基因组工程
（2）项目目标
最近在工程领域出现的集成材料计算与计算机技术相结合范例表明，可以把现有的材料研发周期20~30年缩短到2~3年。《材料基因组计划》拟通过新材料研制周期内各个阶段的团队相互协作，加强“官产学研用”相结合，注重实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享（利益通过学习标识以解决知识产权问题），目标是把新材料研发周期减半，成本降低到现有的几分之一，以期加速美国在清洁能源、国家安全、人类健康与福祉以及下一代劳动力培养等方面的进步，加强美国的国际竞争力。《材料基因组计划》项目在2012年已投入1亿美元。

（3）主要内容

——材料计算手段

1）建立准确的材料性能预测模型，并依据理论和经验数据修正模型预测；
2）建立开放的平台实现所有源代码共享；
3）开发的软件界面友好，以便进一步拓展到更多的用户团体。

——实验手段

1）实验为弥补理论计算模型的不足和构架不同尺度计算间的联系；
2）补充非常基础的材料物理，化学和材料学的数据，涉及材料的电子，力学，光学等性能数据，构建材料性能相关的成分，组织和工艺间内在联系，并建立庞大的数据库；
3）利用实验数据修正计算模型，加速新材料的筛选及高效确定。

——数字化数据库建立

1）构建不同材料的基础数据库、数据的标准化以及它们的共享系统；
2）拓展云计算技术在材料研发中的作用，包括远程数据存储与共享；
3）通过数字化数据库建设，联系科学家与工程师共同高效开发新材料。
（4）研究重点
——面向国家安全的新材料：轻质防护材料；电子材料；能源存储；生物替换材料；密切注重与能源及电子行业相关的矿物（Pt，Te，RE等）；积极开展能够替代稀少元素的相关新材料研发。
——面向人类健康与福祉新材料：生物相容性材料（假肢，植入材料与器件，人工器官等）；防护人体受伤的防护材料
——面向清洁能源新材料：生物质能源转化用催化剂；人工光合作用材料；光伏电池材料；能源存储材料；汽车轻量化材料（10%重量下降可以节省能耗6-8%的能耗）；混合动力、电动汽车及氢能汽车
——下一代劳动力培养：改变单兵作战，强化“官产学研用”之间的协作与共享机制；在材料开发领域，强化实验学家、理论学家、计算机人才和工程师之间的密切合作；数字化数据的共享与计算平台的开放；加强在高校的本科生和研究生中的交叉学科课程设置；企业员工针对材料设计与模拟软件和相关程序的再教育。