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来源:中国科协创新战略研究院《创新研究报告》

第56期（总第182期）2017-10-16

编者按：材料基因工程是借鉴生物学上的基因工程技术，探究材料结构（或配方、工艺）与材料性质（性能）变化的关系，并通过调整材料的原子或配方、改变材料的堆积方式或搭配，结合不同的工艺制备，得到具有特定性能的新材料。以材料设计和模拟为基础的材料基因工程已经成为当前材料科学中不可或缺的一部分，也已经让人们看到了材料基因工程的巨大作用。本文主要从材料设计、模拟及数据库三个方面，阐述了材料基因工程的发展背景需求与战略意义，总结了国内外发展现状，包括目前美国、欧盟、日本及中国等国家和地区在材料基因工程重点研发项目方面的布局，提出了我国材料基因工程的主要发展目标。

一、发展背景需求与战略意义

1. 材料基因工程是新材料发展的“推进器”

材料基因工程是材料科学技术发展历程中的一次重大飞跃，是新材料研发的力量源泉，是新材料发展的“推进器”。材料基因工程通过采用高通量并行迭代方法替代传统试错法中的多次顺序迭代方法，逐步由“经验指导实验”向“理论预测和实验验证相结合”的材料研究新模式转变，以提高新材料的研发效率，实现新材料“研发周期缩短一半、研发成本降低一半”目标，加速新材料的“发现-开发-生产-应用”进程。开发快速、可靠的计算方法和相应的计算程序，部分替代和指导探索材料的高通量实验方法，建立从微观组织结构预测宏观性能的桥梁，从更宽的组分范围、更多样复杂的微观结构来认识材料体系的特性，寻找并确定影响材料性质的“材料基因”，构建材料基因研究标准数据库，缩短材料从设计到应用的时间周期。增强我国在新材料领域的知识与技术储备，提升应对高性能新材料需求的快速反应和生产能力，通过材料基因工程的实施，能够有效促进我国高端制造业和高新技术的发展，为实现中国制造的目标作出应有的贡献。

2. 材料模拟与材料设计是重要的科学研究方法

高通量的材料基因研究是有效释放科技创新活力的科学理论基础。这是由于材料是人类社会赖以生存的物质基础。纵观人类发展的历史，每种重要新材料的发现和应用都将人类改造自然的能力提升到一个新的水平。在科技日新月异的当代社会，每一项重大科技的突破也很大程度上是依赖于相应的新材料的发展。新材料是现代科技发展之本，现阶段高新技术的发展往往都以新材料技术为突破口。新材料的开发和应用，在某种程度上代表着一个国家的科技水平。新材料产业已经成为21世纪的支柱产业，它能够有力支撑节能环保、高端装备制造、新能源汽车、新一代信息技术、生物技术等产业的发展。而以材料设计与模拟为理论基石的材料基因工程在新材料的研发过程中占有非常重要的地位。

二、国内外发展现状及主要问题

一直以来，美国、欧盟、日本、新加坡等世界主要国家和地区的都非常重视通过高通量的材料计算模拟与材料基因设计来研发新材料。早在2001年，美国能源部就提出了“高级计算科学发现项目”作为开发新一代科学模拟计算机的综合计划。随后，2003年美国国家研究委员会针对美国国防部对材料与制造研究的需求进行了研究，并推荐将计算材料设计研究作为投资的主要方向。欧洲科学基金会的“材料的从头算模拟先进概念”计划（AB-initioSimulations of Materials，Psi-k2）致力于开发凝聚态材料在原子层级的“从头算”计算方法。2002年，日本文部科学省启动纳米生物技术、能源和环境领域“生产技术先进仿真软件”的开发。2009年，开始开发“间隙控制材料设计和利用技术”。同年，文部科学省和经济产业省联合推行“分子技术战略”。新加坡高性能计算研究院开发的APEX（Advanced Process Expert）数据挖掘技术已被用于解决工业问题。特别值得人们关注的是，2011年6月24日，时任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”计划（Advanced Manufacturing Partnership，AMP），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，投资超过1亿美元，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。

在美国启动MGI的同时，欧盟以轻量、高温、高温超导、热电、磁性及热磁、相变记忆存储六类高性能合金材料需求为牵引，于2011年启动了第7框架项目“加速冶金学”计划（Accelerated Metallurgy，AccMet），2012年提出了“冶金欧洲”（Metallurgy Europe）研究计划。AccMet主要集中在合金的设计和模拟方面，升级的“冶金欧洲”研究计划更注重在工业领域的应用。“冶金欧洲”研究计划确定了17个未来的材料需求和50个跨行业的冶金研究主题，课题研究时间为2012—2022年，其价值及影响涉及清洁能源、绿色交通、卫生保健和下一代制造等。

面对欧美等国家在“材料基因组”领域的突然发力，国内的材料学界也认识到，国内材料科技工业与国际先进水平存在一定的差距。“材料基因组计划”为材料科技工业快速追赶国际先进水平提供了机遇，成则会迅速缩短差距，败则会被甩得更远。因此，实施中国版的“材料基因组计划”不仅极其重要，而且异常紧迫。为了避免我国在未来的新材料技术及其他高科技领域的国际竞争中处于被动地位，以师昌绪院士和徐匡迪院士为代表的多位著名材料科学家提出中国必须发展自己的“材料基因组计划”。

2016年02月，科技部发布了关于国家重点研发计划高性能计算等重点专项，启动了“材料基因工程关键技术与支撑平台”重点专项。该专项共部署40个重点研究任务，实施周期为5年。按照分布实施、重点突破的原则，2016年度在材料基因工程关键技术和验证性示范应用中启动14个研究任务。这14个研究任务分别为：①“先进核燃料包壳的材料基因组多尺度软件设计开发和应用示范”，由哈尔滨工程大学牵头；②‚“低维组合材料芯片高通量制备及快速筛选关键技术与装备”，由中国科学院上海硅酸盐研究所牵头；③ƒ“高通量块体材料制备新方法、新技术与新装备”，由中南大学牵头；④“先进材料多维多尺度高通量表征技术”，由重庆大学牵头；⑤“材料基因工程专用数据库和材料大数据技术”，由北京科技大学牵头；⑥“基于材料基因组技术的全固态锂电池及关键材料研发”，由北京大学深圳研究生院牵头；⑦“环境友好型高稳定性太阳能电池的材料设计与器件研究”，由北京计算科学研究中心牵头；⑧“基于材料基因工程的组织诱导性骨和软骨修复材料研制”，由四川大学牵头；⑨“基于材料基因工程的高丰度稀土永磁材料研究”，由中国科学院宁波材料技术与工程研究所牵头；⑩“基于高通量结构设计的稀土光功能材料研制”，由中国科学院福建物质结构研究所牵头；⑪“高效催化材料的高通量预测、制备和应用”，由吉林大学牵头；⑫“轻质高强镁合金集成计算与制备”，由上海交通大学牵头；⑬“航空用先进钛基合金集成计算设计与制备”，由中国科学院金属研究所牵头；⑭“新型镍基高温合金组合设计与全流程集成制备”，由中国航空工业集团公司北京航空材料研究院牵头。预计到2025年，新的材料设计和模拟方法将不断优化，新材料数据库也将不断完善，材料的理论研发和工厂生产有望实现“中国制造2025”计划。

综上所述，“材料基因组计划”是先进材料开发的崭新模式，力图通过高通量材料计算、高通量材料合成和检测实验以及数据库的技术融合与协同，加快材料从发现、制造到应用的研发过程的速度，降低成本。

三、拟重点发展的新材料

1. 发展目标

欧美发达国家的“材料基因组”正迅猛地发展起来，而国内材料科技工业与国际先进水平尚存在一定的差距，“材料基因组计划”为材料科技工业快速追赶国际先进水平提供了机遇。为避免我国在未来的新材料技术及其他高科技领域的国际竞争中处于被动地位，国务院、科技部、中国科学院、中国工程院、发展改革委、教育部、工业和信息化部、食品药品监管总局等一起合力发起国家重点研发计划《材料基因工程关键技术与支撑平台重点专项实施方案》工作，启动“材料基因工程关键技术与支撑平台”重点专项发展计划。

材料基因工程的发展目标是：融合高通量计算（理论）、高通量实验（制备和表征）和专用数据库三大技术，变革材料的研发理念和模式，实现新材料研发由“经验指导实验”的传统模式向“理论预测、实验验证”的新模式转变，显著提高新材料的研发效率，实现新材料“研发周期缩短一半、研发成本降低一半”的目标。

根据总体预期目标，材料基因组工程将从以下四个具体分目标分别进行：

（1）实现高通量材料基因计算模拟

包括实现高通量多尺度材料模拟的建模方法，开发适用于高通量计算的高置信和协同式多尺度模拟算法，其中包含大尺度体系电子结构算法、多尺度动力学算法、电子-声子-离子协同输运算法、微观-介观-宏观耦合算法等，发展以第一性原理为基础的量子力学-热力学-动力学-宏观力学高通量集成算法理论和软件，在并发式作业间的“关联”技术上取得突破，在热电材料、核材料和单晶高温合金等方面开展验证性应用。

（2）拟实现高通量材料基因制备、表征及筛选方法

分别包括实现面向实际应用的大尺寸、高密度材料阵列高通量制备的新方法、关键技术和新装备研究，阐明化学组分与结构连续或准连续分布薄膜或分立阵列高通量制备的科学原理，建立面向复杂体系材料高通量制备的成分与组织结构控制方法，研发具有自主知识产权的大尺寸薄膜或分立阵列高通量制备新技术与新装备，实现材料高通量可控制备和优化筛选，在典型材料中开展验证性应用。实现成分和组织结构可控的高通量块体材料制备新方法及其科学原理的研究，开发高效制备具有不同微区成分、相结构和组织的块体材料新技术，研制具有自主知识产权的新装备，在典型的高性能材料中获得应用，验证其高效性、经济性、可靠性和加速获得材料成分-相-组织-性能关系的能力，显著提高新材料研究开发和应用的效率。

（3）拟实现高通量材料基因数据库

以支撑材料基因工程研究为目标，开展多层次跨尺度材料设计、高通量实验验证与表征专用数据库架构研究；开展材料复杂异构数据整合、管理与共享技术研究和标准规范建设，研发高通量计算、高通量实验与表征数据的高效处理与加工技术；运用云计算、大数据和机器学习等先进技术，开展多尺度材料计算与实验数据的关联分析、材料组织结构的高精度图像处理、非结构化数据挖掘等研究；建成有效支撑材料基因工程研究的专用数据库。

（4）拟实现应用材料的高通量开发设计

针对下一代固态电池关键材料开发，发展高通量计算方法及软件平台，计算筛选优化适用于固态电池的高能量新型正极材料、二维电极材料、高离子电导率固态电解质等备选材料，通过大数据分析获得构效关系，发展高通量制备、表征、测试平台，对备选材料进行原理验证；基于优化材料，研制高性能固态原理电池，完成综合测试；开发出新一代高性能固态二次电池样机，通过样机考核，推动电动汽车或者相关产业的发展；利用材料基因工程思想，筛选元素及原材料，研发一类组成元素储量丰富、毒性低、稳定性高、具备优异半导体性质、效率更高的新型薄膜太阳能电池吸收层材料，设计出长电子-空穴扩散长度的无机非铅钙钛矿材料；采用高通量技术合成筛选的新材料，并研究其理化性质（吸收光谱/带隙/电子-空穴扩散长度）及在光照下的温湿度稳定性，研发出新一代太阳能电池材料，降低太阳能发电成本并具备推广应用潜力；构筑从微观到宏观、从单元到多元的多尺度、多维度的理论建模和算法，研究成分-结构-性能之间的关系，在宏观尺度上建立从工艺到寿命的预测性理论。

2. 发展技术线路图

根据以上四个主要发展目标和重点发展的新材料方向及内容，绘制了预计至2025年我国材料基因工程领域的发展技术路线图，如下图1所示。

图1 材料基因工程发展技术线路图

四、对策和建议

1. 搭建高校研究单位创新的政策环境

从国家政策、决策等多层次、多方位支持高校研究单位开展高通量算法的开发及测试，综合各方面优势力量进行高通量实验制备。

2. 积极推进国际交流与合作，提升国际影响力和话语权

我国应以积极主动的态度组织和参与国际间的各种学术交流与合作，主动组织与搭建国际间有影响力的各种会议活动，主动参与或发起国际间的各种自发组织，主动与国际标准对接并积极参与国际标准的制订，积极举办各种论坛峰会，参与和举办世界级的各种方法、技术交流会，不断提升中国材料基因组在国际的地位与影响力，进而提升我国的国际竞争力。

3. 发挥重点实验室等平台的作用

协会应完善行规行约，加强行业自律，引导遵规守法、规范经营，诚实守信、公平竞争。重点实验室应站位于研究制高点，瞄准材料基因组的共性关键技术，引领科技前沿，为材料基因组的高通量发展及转型升级提供持续的技术支撑。

4. 创建产学研用联盟

整合现有各种团体、组织，围绕材料基因组计划研究、开发、制备、应用及评价，搭建紧密合作的专业团体。

5. 构建一体化的材料基因数据库

材料基因数据库应有弹性、延展性，能常规网络访问，可结合移动平台，按照使用次数计费，以提高效率，降低成本，以及获得分布广泛的结构与非结构化数据。

6. 全面发展应用型材料基因

全面发展包括能源、环境、生活在内的各种新型材料基因。针对医学、航空及军事上的一些特殊材料，发展及实现特殊材料的高通量模拟、制备及服役。

（作者 吴苗苗1 韩雅芳2 刘利民3）

1中国矿业大学（北京），材料科学与工程，北京，100083

2中国材料研究学会，北京，100048

3北京计算科学研究中心，材料与能源，北京，100193

《创新研究报告》编辑：高晓巍 孙云娜

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