1 研究背景

新材料的發展長期以來采用的是通過以經驗、半經驗為基礎的傳統 “炒菜”式實驗來摸索，并給予確認的研究模式。這種模式的效率很低，已經難以適應當前世界各國經濟快速發展的需求，而且需耗費大量的資源、能源和人力，非常不經濟。材料科學家一直在尋求研究和發展新材料的更快速、更經濟、更有效的新途徑。凝聚態物理的多體相互作用模型及理論的重大進展、計算物理學科和方法體系的建立、計算機科學和技術的飛速進步等，使得對材料的結構進行計算預測及其性能模擬計算日益成為必要和可能。

美國、歐盟、日本、新加坡、中國等世界主要國家/地區都非常注重材料計算與模擬的發展，組織實施了一系列相關的研究計劃和項目。始于 2001 年的美國能源部 “高級計算科學發現項目”是開發新一代科學模擬計算機的綜合計劃[1].早在 2003 年，美國國家研究委員會針對美國國防部對材料與制造研究的需求進行了研究，并推薦將計算材料設計研究作為投資的主要方向。歐洲科學基金會的 “材料的從頭算模擬先進概念”計劃 （ AB - initio Simula-tions of Materials,Psi - k2） 致力于開發凝聚態材料在原子層級的 “從頭算”計算方法[2], “生物系統與材料科學的分子模擬”則關注開發計算工具，用于了解生物系統以及人工納米材料的介觀結構。

2002 年，日本文部科學省啟動納米生物技術、能源和環境領域 “生產技術先進仿真軟件”的開發；2009 年，開始 “間隙控制材料設計和利用技術”;同年，文部科學省和經濟產業省聯合推行 “分子技術戰略”[3].新加坡高性能計算研究院開發的 APEX（ Advanced Process Expert） 數據挖掘技術已被用于解決工業問題，研究內容包括計算化學、多尺度建模、固態電子學和納米結構等。

2011 年 6 月 24 日，美國總統奧巴馬宣布了一項超過 5 億美元的 “先進制造業伙伴關系”計劃，其中一項舉措就是實施 “材料基因組計劃” （ MaterialsGenome Initiative,MGI） ; 幾乎是同時，歐洲也啟動了 “加速冶金” （ Accelerated Metallurgy,AccMet）計劃。這兩項大型的研究計劃都意在加速材料研發和應用的速度，并通過降低研發成本和周期降低失敗風險。美國試圖打造全新 “環形”開發流程，推動材料科學家重視制造環節，并通過搜集眾多實驗團隊以及企業有關新材料的數據、代碼、計算工具等，構建專門的數據庫實現共享，致力于攻克新材料從實驗室到工廠這個放大過程中的問； 歐洲則認為，在過去一萬年，對人類的技術進步，相比其他材料，金屬和合金貢獻最大，加之歐盟歷來重視防范原材料的風險，因而此次專注于高性能合金的開發。表 1 所示是美國、歐洲正在開展的材料基因組相關研究的概況對比?！?】

以下對美國、歐洲的這兩項計劃以及我國開展的相關工作做一概要介紹。

2 美歐材料基因工程計劃主要研究內容

2. 1 美國： 材料基因組計劃

2011 年 6 月，美國總統奧巴馬宣布啟動“材料基因組計劃”,旨在加快新材料從發現、創新、制造到商業化的步伐，使材料研究、開發方式從完全“經驗型”向理論“預測型”進行轉變，試圖把新材料的開發周期縮短一半。該計劃將發展一個集成計算模擬、實驗和數據庫為一體的材料創新平臺，建立材料的成分/工藝 - 組織結構 - 性能之間的定量關系。

這種定量關系是貫穿材料從發明發現、設計表征、制備生產、服役回收整個周期的主線，是材料研發的核心[4].材料基因組計劃試圖創造一個材料創新框架，以期抓住材料發展的機遇，重點包括以下三方面內容： （ 1） 打造材料創新基礎； （ 2） 通過先進材料實現國家目標； （ 3） 培育下一代材料工作者。通過材料創新基礎設施的融合發展，將對人類福祉、清潔能源、下一代勞動力、國家安全等領域產生深遠影響，如圖 1 所示?！?】

2. 2 歐洲： 冶金歐洲

2011 年，歐盟 FP 7 提出了“加速冶金”科學計劃，致力于高性能合金的研發。AccMet 采用高通量組合材料實驗技術，加快發現和優化更高性能的合金配方，將通常需要 5 ~ 6 年的研發時間縮短到一年以內[5].AccMet 計劃項目的核心理念是為未進行開發的合金配方的合成試驗和表征測試提供一個集成的中試設施。其創新之處在于使用了新開發的可自動控制的直接激光沉積技術，這樣合金元素粉末的混合物被直接、精確地送入激光的聚焦點，通過激光束加熱沉積在熔池的襯底上，并最終固化形成具有精確化學計量的完全致密合金[6].

在 AccMet 的基礎上，歐盟 2012 年提出了“冶金歐洲”（ Metallurgy Europe） 研究計劃。AccMet 主要集中在合金的設計和模擬方面，升級的“冶金歐洲”研究計劃更注重在工業領域的應用?！耙苯饸W洲”確定了 17 個未來的材料需求和 50 個跨行業的冶金研究主題，課題研究期間為 2012-2022 年，其價值及影響涉及清潔能源、綠色交通、衛生保健和下一代制造等，如圖 2 所示。已被確定的 50 個研究主題在未來幾十年對歐洲工業具有很高的戰略和技術價值。這些主題主要包括以下三類： （ 1） 材料發現； （ 2） 創新設計、金屬加工和優化； （ 3） 冶金基礎理論。研究內容包括： 理論研發活動、實驗、建模、材料表征、性能測試、原型設計和工業規?；?。

3 美歐材料基因工程計劃組織及參與機構

兩年以來，美國材料基因組計劃從起步階段僅有4 家聯邦機構（ 能源部 DOE、國防部 DoD、國家科學基金會 NSF 以及商務部下屬的國家標準與技術研究院NIST） 及 6 300 萬美元投資，到現在擁有數以億元計的資金，以及全美的大學、企業、專業團體、科研人員廣泛加入，共同致力于材料科學與創新領域的發展。

AccMet 屬于歐盟 FP 7 的大型整體合作項目，共有 31 個歐洲機構參與該計劃，由歐洲航天局（ ESA）統一管理。項目跨度 5 年，開始時間為 2011 年 6 月，總預算為 2 195 萬歐元。

2012 年 5 月，歐洲科學基金會發布“MetallurgyEurope – A Renaissance Programme for 2012-2022 ”報告，創立了“冶金歐洲”研究計劃，時間跨度為 10 年（ 2012-2022 年） .經費資助主要來自公私兩方面，如歐盟“地平線 2020”、歐盟成員國資助機構、歐盟工業界、EIRO 論壇和學術界等，總經費約 1 億歐元。全歐洲約有 400 ~ 500 名研究人員將獲得該項目的資助，同時還將與澳大利亞、巴西、加拿大、以色列、俄羅斯和南非等國家開展戰略合作。

4 我國相關工作概況

從以上的簡要分析可以看出，材料基因工程的研究受到了包括美國、歐洲、日本等在內的世界主要發達國家/地區的重視，各國紛紛投入巨資加速新材料的設計。我國在材料基因組方面也正在開展一系列的研究工作。

中國科學院、中國工程院正在組織相關的咨詢調研工作。國內不少鋼鐵企業已經率先認識到計算機模擬的重要性，引進了熱力學、動力學等計算軟件及數據庫，用于高附加值優質鋼鐵材料的研發。國內高等院校和科研院所在第一性原理計算、分子動力學計算、材料設計、材料表征、性能測量、計算熱力學與動力學、有限元分析模擬、多尺度集成計算及材料數據庫建設等相關領域開展了基礎性的工作。

中國科學院和中國工程院于 2011 年底召開以“材料科學系統工程”為主題的香山科學會議，以師昌緒和徐匡迪為代表的多位院士提出中國應盡快自主建立以高通量材料計算模擬、高通量組合材料實驗、材料共享數據庫為基礎的“材料基因組計劃”平臺。2012 年 12 月，由工程院領銜的“材料科學系統工程發展戰略研究---中國版材料基因組計劃”重大項目啟動。2013 年 11 月 11 ~12 日，中國科學院“材料基因組計劃”咨詢項目研討會在北京召開，與會人員就材料基因組中的高通量計算與材料預測、高通量材料組合設計實驗、數據庫建立與科學管理和先進物性實驗及表征等內容做了專題報告。

經不完全統計，我國開展材料基因組方面工作的高校、機構和企業有： 清華大學、中國科大、南京大學、山東大學、西安交大、電子科大、上海大學、復旦大學、蘭州大學、北京化工大學、北京應用物理與計算數學研究所、中國建筑材料科學研究總院、中國電子科技集團、東方電氣集團，以及中科院合肥物質院、物理所、金屬所、上硅所、大連化物所、半導體所等單位[7].

5 啟示與建議

我們認為，材料基因工程技術研究具有兩方面的重要作用： 一是為高技術新材料研制提供理論基礎和優選方案，對新型材料與新技術的發明產生先導性和前瞻性的重大影響； 二是促進材料科學與工程由定性描述跨入到定量預測階段，提高材料性能和質量，大幅縮短從研究到應用的周期，對經濟發展和國防建設做出重要貢獻[8].不光美、歐加大了材料理論與計算設計方面研究的人力和財力的投入，爭奪該領域某個方面的領先地位[9],日本在玻璃、陶瓷、合金鋼等材料的數據庫、知識庫和專家系統方面也開展了很多工作[10].為此，謹提出以下建議：

（ 1） 制定專門政策，加速發展。美國的材料基因組計劃啟動至今已有兩年半，歐洲的相關研究也不晚，而我國在相關領域起步比較晚，整體水平與先進國家相比仍有很大差距。如何加快推進并實施中國版的材料基因組計劃，是當前面臨的重要問題。美國的研究工作涉及各種材料的設計及數據庫建設，歐洲則側重于金屬合金材料。在保證安全的前提下，出臺符合我國國情的、有助于推進材料新技術發展的政策，制定發展路線圖，規劃基礎研究、產業化、工程應用的發展路線，且不要陷入反復追趕的怪圈。

（ 2） 重視大數據管理。開展材料基因工程研究離不開海量數據的處理。2012 年 3 月，美國政府宣布了大數據研究和發展計劃來推進從大數據集合中獲取知識和洞見的能力，從而使增加依靠信息計算技術與專業領域的集成來加速行業發展的思路變得更加清晰。我國在開展大數據工作的同時，數據治理需提到重要地位。宏觀層面，解決“數據割據”問題需頂層設計，各個單元需在“數據孤島”之間架起橋梁； 微觀層面，需注重“數據質量”,包括數據的正確性、完整性、一致性。此外，需有法律法規界定數據資產的歸屬和使用。北大、上海交大、人大、北航等高校已經設立了數據科學的研究機構和專業。

（ 3） 突出優勢，開展產學研合作。美國在執行材料基因組計劃的過程中，注重高校、研究機構與企業的合作。如美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室“國家能源研究科學計算中心”聯合麻省理工學院開發的開放平臺網絡工具 Materials Project 與 Intermolecular公司合作，以改善該工具的預測水平。

目前國內先進功能材料技術的發展和應用受到實驗室條件的限制，還存在基礎設施上的技術瓶頸需要克服。然而，以合肥為例，中科院在該地區具有優勢物質學科群，微尺度物質科學和同步輻射等國家級大型實驗平臺，強磁場實驗裝置、同步輻射裝置等大科學裝置群，以及在先進功能材料制備和表征方面具備良好技術優勢。美國材料基因組計劃是聯邦跨部門的合作計劃，“冶金歐洲”也涉及歐盟及其成員國層面的機構。

我國在開展相關工作時，也需有國家相關部門以及中科院、工程院、相關學會/協會等的協調，開展跨界合作，各取所長，抱團發展，鼓勵企業介入研發，切實打通新材料從設計、制備到應用的研發鏈條。