材料基因组计划(MGI)专题学习报告

材料科学与工程前沿课程报告第一部分：材料基因组计划（MGI）专题学习报告学院：材料科学与工程学院专业：材料科学与工程姓名：XXXXX学号：XXXXX班级：XXXXX2012年11月19日材料基因组计划（MGI）专题学习报告摘要：在美国2012 年财政预算中，新增了1 亿美元用以支持一项名为“材料基因组”的创新计划。美国“材料基因组计划”试图创造一个材料创新框架，以期抓住材料发展中的机遇，这个试图揭示物质构成、不同元素排列与材料功能之间关系，进而实现有目的设计新材料的科学工程，有着更强烈的实用和需求背景，也是美国为保持其在先进材料及高端制造业领域领先地位的一大举措。十多年前的中国没有能抓住“人类基因组计划”的先机，面临比“人类基因组计划”更为重要和广泛的“材料基因组计划”，我们不能再次丧失历史机遇。 本文主要介绍我对材料基因计划的认识和对我们国家如何能抓住这次历史机遇提出自己的认识并提出展望。关键词：材料基因组计划 历史机遇 新材料 材料数据库引言：2011 年6 月24 日，美国总统奥巴马宣布启动一项价值超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系”（Advanced Manufacturing Partnership，AMP）计划，呼吁美国政府、高校及企业之间应加强合作，以强化美国制造业领先地位，而“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative，MGI）作为AMP 计划中的重要组成部分，投资将超过1 亿美元。“材料基因组”计划是“先进制造业伙伴关系”计划的主要基础部分，新兴材料才是新型制造业的基础。MGI 的实施正是抓住了AMP计划实施的“牛鼻子”，是重中之重1。这是金融危机之后，美国政府意识到仅靠服务业已无法支撑美国经济走出泥潭，必须重振制造业。美国制造业的振兴不是传统制造业的复兴，而是新兴制造业的培育，其中建立在材料科学基础上的新材料产业是重点之一。2011年9月16日，奥巴马签署了美国发明法案，对现行专利体制进行重大变革，并宣布了一系列旨在促进科研成果转化的重要政策措施。可以看出，美国当前的科技政策更加重视科技成果的商业化和开发新市场的改革，“材料基因组计划”也体现出了这一特点：该计划将大大加快材料投入市场的种类及速度，并可通过降低研发成本和周期降低失败风险。回顾1999 年中国参与了“人类基因组”计划的研究，负责其中3号染色体短臂上约3000万对碱基的测序任务。虽然参加时间晚，承担任务最少，占总任务的1%，但工作效率和工作质量却得到了国际HGP项目组的公认，于2001年8 月26日完成了中国卷部分。但是坦诚的说，中国并没有赶上这次计划的机遇，近10年来，“人类基因组”研究的成果，应用在研究人类乃至生命本质一系列问题上所展示的光辉，无不令世人惊叹，参加“人类基因组”计划（HGP）计划我们晚了，MGI计划我们不能再晚了，要抓住机遇，将我们国家的新材料研究水平提上一个新的水平。一、“材料基因组计划”的主要内容“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。其主要目的是试图把新材料的开发周期缩短一半，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题。材料基因组计划主要包括3大系统：材料超级计算系统、材料性能扫描测试技术系统和材料设计性能数据库与信息平台系统。该计划可能的影响：一是将进一步发挥和加强美国的技术优势和创新能力；二是将进一步增强美国在新材料产业的领先地位；三是为美国进一步做大先进制造业打下关键和坚实的基础，四是将开创新材料研发的新局面。与“人类基因组工程”类似，“材料基因组工程”是通过高通量的第一性原理计算，结合已知的可靠实验数据，用理论模拟去尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其化学组分、晶体和各种物性的数据库，并利用信息学、统计学方法，通过数据挖掘探寻材料结构和性能之间的关系模式，为材料设计师提供更多的信息。根据以上内容可知MGI的重点内容就是：（1）打造材料创新基础。将开发新的集成式计算、实验和数据信息学工具，将这些贯穿整个材料研发链，提高预测能力，用新标准实现整个材料的创新基础数字化信息的整合，与现代产品的设计框架无缝结合，推动材料工程研发、设计的快速化、全面化发展。（2）开发数据共享平台。数据共享将促进不同开发阶级的各国科学家和工程师跨国跨学科交流。（3）通过先进材料计划，希望在国家安全材料研发方面投入巨资，特别关注轻质保护材料、电子材料、储能材料、生物替代材料、稀土关键材料等领域。美国国家科学院国家研究理事会在其综合计算材料的报告中展望了“材料基因组计划”潜在的优势：结合材料计算工具与信息以及复杂的已在工程领域使用的计算和分析工具，材料的开发周期可从目前的1020年缩短为23年。二、“材料基因组计划”的意义国外提出“材料基因组”（亦称之为“材料基因工程”）的概念，“材料基因组”主要包括3大系统：材料超级计算系统、材料性能扫描测试技术系统和材料设计性能数据库与信息平台系统。此3大系统是新材料设计的3大支柱，其目的就是寻找和建立材料从原子排列到相的形成到显微组织的形成到材料性能与使用寿命之间的相互关系，把成分-结构-性能关系的数据库与计算材料设计结合起来，以期加快材料研发速度、降低材料研发的成本、提高材料设计的成功率，从而缩短材料开发的时间跨度2。“材料基因组（工程）”是一种新提法，本质上仍为材料计算模拟，作为一个交叉领域，综合了凝聚态物理、材料物理学、理论化学、材料力学、工程力学和计算机算法等相关学科。半导体超晶格材料、非线性光学材料和自旋电子材料等都是材料设计的成功范例。目前，大部分材料的设计与测试是通过耗时的重复实验来完成的，实际上，有些实验通过计算工具就能完成。计算不仅可以深入理解材料的细节，节约研发成本，而且在某些特殊情况下，计算可以用来代替或指导实验，例如：材料还未能制备出来，无法测量它们的性质；有些材料可能会对人体健康有害，或者处在高压、超低温、强磁场等某些极端条件下，实验测量很难实现或者耗费巨大。“材料基因组计划”将为新的研究范式发展提供一个必要的工具集，强大的计算分析将减少对物理实验的依赖，改进的数据共享系统和更加一体化的工程团队将允许设计、系统工程和生产活动的重叠与互动。这种新的综合设计将结合更多的计算与信息技术，再加上实验与表征方面的进步，将显著加快材料投入市场的种类及速度。三、“材料基因组计划”的展望从大的方面来讲，新材料产业已被世界公认为最重要、发展最快的高新技术产业之一。新材料与信息技术、生物技术共同构成了当今世界高新技术的三大支柱，成为产业进步、国民经济发展和保证国防安全的重要推动力。因此，工业发达国家都高度重视新材料在国民经济和国防安全中的基础地位和支撑作用，为保持其经济和科技的领先地位，都把发展新材料作为科技发展战略的优先目标，在制定国家科技与产业发展计划时，无不将新材料列为优先发展的关键技术之一，给予重点关注。“材料基因组（工程）”科学研究具有2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；二是可以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作出重要贡献。许多国家都加大了材料理论与计算设计方面的人力和财力投入，都在争夺该领域某个方面的领先地位和知识产权。例如，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开展了很多工作；美国在计算材料科学方面一直处于领先水平，橡树岭国家实验室、美国国家标准与技术研究院、麻省理工学院等也都有一定的优势。材料计算模拟与材料的制备/加工、材料表征同属于共性材料技术。在未来的发展趋势方面，随着计算技术的快速发展、科学理论模型的日渐成熟，在微观、介观和宏观等不同层次上，在分子、原子、电子等不同层面，按预定性能设计新材料将日趋成熟；以“按需设计材料”为目标的多尺度、跨层次材料设计将得到重视；材料微结构的协同设计也会受到关注。四、“材料基因组计划”在国内的进展情况我在“十二五”规划听取意见的时候已经提出过，最重要的是建立材料科学的平台，上海是有这个优势的，这个平台包括材料基因组计划所需要的数据库、工艺流程、大量的原始数据以及国内外同行做成功的大量材料的案例。比如我所在的中科院上海硅酸盐研究所和国内相关研究所研究各种晶体，在通过大量掺杂数据和由此产生新晶体和新功能方面有不少数据，如果别人能够查阅到这些数据，就能避免将已经探索过的路再走一遍3。要公开自己积累的数据不是那么容易的，这其中牵扯到各个科研机构的利益问题，所以没能够实施。为应对美国提出的材料基因组研究计划，深入探讨我国应如何规划、实施自己的材料科学系统工程，以“材料科学系统工程”为主题的S14次香山科学会议学术讨论会，于2011年12月2123日在北京举行。与会专家在讨论中指出：(1) 我国亟须整合现有零散的计算算法和程序开发小组，集中优势力量，形成规模化的长期稳定的开发队伍，开发自主知识产权的第一性原理计算软件，摆脱国外软件的垄断和限制；(2)建设以第一性原理计算为主的多层次材料计算和预测平台，以基地或中心建设为主，坚持软硬件结合，形成对用户的有效支持；(3) 建立合理的评价体制，培养各领域的能够发展算法和开发程序的交叉型人才，建立计算平台开发梯队。为加速我国新材料的研发过程，发展真正有用的国际领先的新材料，并为我国的新材料产业化体系提供技术和人才储备，我们急需抓住这次机遇，整合和完善我国的材料研究和产业化体系。专家建议：共用平台协同建设；重点材料示范突破；强化政策导向作用；个人认为这些还是要走中国特色道路，和平演变，稳定各方机构的既得利益，这样的话中国的材料基因组研究计划将还需要更长的时间才能真正形成模式，可能在一定时间之内无法赶上国际水平。五、总结与展望综上所述，“材料基因组计划”将是一个规模宏大的计划，将可能会引发新材料研发的一场革命，世界各国正在争相引入，不断加大投入，我国也要尽快实施、规划自己的材料科学系统工程相关，虽然我们国家相比于发达国家还存在很多问题，像数据库建立、企