材料基因工程

1、陆文聪陆文聪上海大学理学院上海大学理学院材料基因工程材料基因工程1 材料设计的概念材料设计的概念 所谓所谓的的“材料设计材料设计”，是指通过，是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来性能，或者说，通过理论设计来“定做定做”具有特定性能的新材料。具有特定性能的新材料。材料设计的层次材料设计的层次l微观微观设计设计层次层次：空间空间尺度约在尺度约在l nm量量级，是原子、电子层次的设计级，是原子、电子层次的设计；l连续模型层次连续模型层次：典型典型尺度约在尺度约在1m量量级，这时材料被看成连续介质，不考级，这时材料被看成连续介质，不考

2、虑其中单个原子、分子的行为虑其中单个原子、分子的行为；l工程设计层次工程设计层次：尺度尺度对应于宏观材料，对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究计研究。材料设计核心问题材料设计核心问题材料是按照材料是按照何种何种原子或原子或配方配方、何种何种方式堆积或搭配方式堆积或搭配，通过何种工通过何种工艺制备，才艺制备，才具有具有何种特定的物理和何种特定的物理和化学性质，化学性质，即即材料材料结构结构（或（或配方配方、工艺工艺）与与性质性质（性能）的（性能）的关系关系问题问题。材料设计的发展方向材料设计的发展方向 将材料科学与物理、化学基本原理将材料科学与物

3、理、化学基本原理（包括量子化学）与（包括量子化学）与数据挖掘数据挖掘等等方法方法相相结合结合，对材料设计的相关对材料设计的相关数据数据进行计算、进行计算、分析和分析和加工加工处理，建立辅助新材料、新处理，建立辅助新材料、新物质研制的物质研制的专家系统专家系统（包括知识库、材（包括知识库、材料设计、工艺寻优、成本控制和服役行料设计、工艺寻优、成本控制和服役行为优化等）为优化等），正在成为新材料设计的正在成为新材料设计的主主流流发展方向发展方向。计算机辅助材料计算机辅助材料设计设计的的三三个个层次层次1)材料的微观结构与性能的关系，从量子化学、固体物理、结构化学等角度探索研制新材料、新物质的新思想

4、和新概念；计算机辅助材料计算机辅助材料设计设计的的三三个个层次层次2)从相图、热力学和动力学性质出发，探索新型合金、氧化物、熔盐等新材料及其制备方法的革新；计算机辅助材料计算机辅助材料设计设计的的三三个个层次层次3)运用模式识别、人工神经网络、支持向量机等数据挖掘方法，结合数据库和知识库，总结材料结构与性能（性质）的关系、配方及工艺条件与材料性能或生产技术指标（成品率、能耗等）的关系等规律，用于材料制备和加工的优化。9传统的材料研究传统的材料研究方法方法工艺寻优工艺寻优成本控制成本控制材料制备材料制备性能表征性能表征服役行为服役行为新材料探索新材料探索系统集成系统集成性能优化性能优化经验积累经

5、验积累循环试错循环试错l 以大量的材料制备为中心，强调经验积累；l 被动的性能表征；l 经验与不断的循环试错而提高性能：实验寻优。l2011年年6月月24日，奥巴马宣布日，奥巴马宣布 “先进制造业先进制造业伙伴关系伙伴关系” 计划计划（AMP计划）计划）(超超5亿美元亿美元)，以期通过政府、高校及企业的合作来强化美以期通过政府、高校及企业的合作来强化美国制造业国制造业。材料基因组计划是材料基因组计划是AMP的核心内的核心内容。容。l 目标是帮助美国企业发现、开发、生产和目标是帮助美国企业发现、开发、生产和应用先进材料的速度提高到目前的两倍，从应用先进材料的速度提高到目前的两倍，从而促进美国制造

6、业的复兴，保持美国的全球而促进美国制造业的复兴，保持美国的全球竞争力。竞争力。10材料基因组计划材料基因组计划l 通过高通量的第一性原理计算，结合已知的可靠实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，晶体结构和各种物性的数材料，建立其化学组分，晶体结构和各种物性的数据库据库；l 利用信息学、统计学方法，通过数据挖掘探寻材料利用信息学、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，拓宽材料筛选范围，集中

7、筛选目标，减多的信息，拓宽材料筛选范围，集中筛选目标，减少筛选尝试次数，预知材料各项性能，缩短性质优少筛选尝试次数，预知材料各项性能，缩短性质优化和测试周期，从而加速材料研究的创新。化和测试周期，从而加速材料研究的创新。“材料基因组工程”内涵阐释11 集中国内材料计算与模拟领域优势力量，通力合作，努力实现如下关键目标跟上并引领国际材料领域新一轮发展的浪潮。l 开发高通量的第一性原理计算程序包； l 建立“材料科学系统工程”数据库，搜索引擎和分析软件 ；l 建立极材料设计、合成、快速表征、测试、改进等物性平台；l 与企业界建立合作互动。12 香山会议建议13Integrated Computat

8、ional Materials EngineeringICME是一门新兴的学科，集材料知识库、设计与计算、制备工艺寻优、生产成本控制以及服役行为评价等多种计算环节于一体，其目的是集成材料计算科学的工具，使其成为一个集成系统，以加速材料发现到应用的研发速度。知识库知识库材料设计材料设计服役行为服役行为工艺寻优工艺寻优成本控制成本控制材料制备材料制备性能表征性能表征材料制备材料制备性能表征性能表征 构建构建“集成计算材料工程集成计算材料工程”研究平台，形成完整研究链，研究平台，形成完整研究链，实现从实现从“实验寻优实验寻优”向向“系统寻优系统寻优”转变转变。材料合成制备器件集成微观机制与结构-性能关系微结