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        材料基因工程——材料設計、模擬及數據庫的頂層設計

        作者:
        來源:
        2018/09/28 11:03
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        【摘要】:
        材料基因工程是借鑒生物學上的基因工程技術,探究材料結構(或配方、工藝)與材料性質(性能)變化的關系,并通過調整材料的原子或配方、改變材料的堆積方式或搭配,結合不同的工藝制備,得到具有特定性能的新材料。以材料設計和模擬為基礎的材料基因工程已經成為當前材料科學中不可或缺的一部分,也已經讓人們看到了材料基因工程的巨大作用。本文主要從材料設計、模擬及數據庫三個方面,闡述了材料基因工程的發展背景需求與戰略意

          材料基因工程是借鑒生物學上的基因工程技術,探究材料結構(或配方、工藝)與材料性質(性能)變化的關系,并通過調整材料的原子或配方、改變材料的堆積方式或搭配,結合不同的工藝制備,得到具有特定性能的新材料。以材料設計和模擬為基礎的材料基因工程已經成為當前材料科學中不可或缺的一部分,也已經讓人們看到了材料基因工程的巨大作用。本文主要從材料設計、模擬及數據庫三個方面,闡述了材料基因工程的發展背景需求與戰略意義,總結了國內外發展現狀,包括目前美國、歐盟、日本及中國等國家和地區在材料基因工程重點研發項目方面的布局,提出了我國材料基因工程的主要發展目標。

          一、發展背景需求與戰略意義

          1.材料基因工程是新材料發展的“推進器”

          材料基因工程是材料科學技術發展歷程中的一次重大飛躍,是新材料研發的力量源泉, 是新材料發展的“推進器”。材料基因工程通過采用高通量并行迭代方法替代傳統試錯法中的多次順序迭代方法,逐步由“經驗指導實驗”向“理論預測和實驗驗證相結合”的材料研究新模式轉變, 以提高新材料的研發效率,實現新材料“研發周期縮短一半、研發成本降低一半”目標,加速新材料的“發現-開發-生產-應用”進程。開發快速、可靠的計算方法和相應的計算程序,部分替代和指導探索材料的高通量實驗方法,建立從微觀組織結構預測宏觀性能的橋梁,從更寬的組分范圍、更多樣復雜的微觀結構來認識材料體系的特性,尋找并確定影響材料性質的“材料基因”, 構建材料基因研究標準數據庫,縮短材料從設計到應用的時間周期。增強我國在新材料領域的知識與技術儲備,提升應對高性能新材料需求的快速反應和生產能力,通過材料基因工程的實施,能夠有效促進我國高端制造業和高新技術的發展,為實現中國制造的目標作出應有的貢獻。

          2.材料模擬與材料設計是重要的科學研究方法

          高通量的材料基因研究是有效釋放科技創新活力的科學理論基礎。這是由于材料是人類社會賴以生存的物質基礎??v觀人類發展的歷史,每種重要新材料的發現和應用都將人類改造自然的能力提升到一個新的水平。在科技日新月異的當代社會,每一項重大科技的突破也很大程度上是依賴于相應的新材料的發展。新材料是現代科技發展之本,現階段高新技術的發展往往都以新材料技術為突破口。新材料的開發和應用,在某種程度上代表著一個國家的科技水平。 新材料產業已經成為21世紀的支柱產業,它能夠有力支撐節能環保、高端裝備制造、新能源汽車、新一代信息技術、生物技術等產業的發展。而以材料設計與模擬為理論基石的材料基因工程在新材料的研發過程中占有非常重要的地位。

          二、國內外發展現狀及主要問題

          一直以來,美國、歐盟、日本、新加坡等世界主要國家和地區的都非常重視通過高通量的材料計算模擬與材料基因設計來研發新材料。早在2001年,美國能源部就提出了“高級計算科學發現項目”作為開發新一代科學模擬計算機的綜合計劃。隨后, 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-initioSimulations 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。 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,開始開發“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”。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。特別值得人們關注的是,2011年6月24日,時任美國總統奧巴馬宣布啟動一項價值超過5億美元的“先進制造業伙伴關系”計劃(Advanced Manufacturing Partnership,AMP),呼吁美國政府、高校及企業之間應加強合作,以強化美國制造業領先地位,而“材料基因組計劃”(Materials Genome Initiative,MGI)作為AMP計劃中的重要組成部分,投資超過1億美元,是美國為保持其在先進材料及高端制造業領域領先地位的一大舉措。

          在美國啟動MGI的同時,歐盟以輕量、高溫、高溫超導、熱電、磁性及熱磁、相變記憶存儲六類高性能合金材料需求為牽引, 于2011年啟動了第7框架項目“加速冶金學”計劃(Accelerated Metallurgy,AccMet) ,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”研究計劃確定了17個未來的材料需求和50個跨行業的冶金研究主題,課題研究時間為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。

          面對歐美等國家在“材料基因組”領域的突然發力,國內的材料學界也認識到,國內材料科技工業與國際先進水平存在一定的差距?!安牧匣蚪M計劃”為材料科技工業快速追趕國際先進水平提供了機遇,成則會迅速縮短差距,敗則會被甩得更遠。因此,實施中國版的“材料基因組計劃”不僅極其重要,而且異常緊迫。為了避免我國在未來的新材料技術及其他高科技領域的國際競爭中處于被動地位,以師昌緒院士和徐匡迪院士為代表的多位著名材料科學家提出中國必須發展自己的“材料基因組計劃”。

          2016年02月,科技部發布了關于國家重點研發計劃高性能計算等重點專項,啟動了“材料基因工程關鍵技術與支撐平臺”重點專項。該專項共部署40個重點研究任務,實施周期為5年。按照分布實施、重點突破的原則,2016年度在材料基因工程關鍵技術和驗證性示范應用中啟動14個研究任務。這14個研究任務分別為:①?“先進核燃料包殼的材料基因組多尺度軟件設計開發和應用示范”,由哈爾濱工程大學牽頭;②?“低維組合材料芯片高通量制備及快速篩選關鍵技術與裝備”,由中國科學院上海硅酸鹽研究所牽頭;③?“高通量塊體材料制備新方法、新技術與新裝備”,由中南大學牽頭;④“先進材料多維多尺度高通量表征技術”,由重慶大學牽頭;⑤“材料基因工程專用數據庫和材料大數據技術”,由北京科技大學牽頭;⑥“基于材料基因組技術的全固態鋰電池及關鍵材料研發”,由北京大學深圳研究生院牽頭;⑦“環境友好型高穩定性太陽能電池的材料設計與器件研究”,由北京計算科學研究中心牽頭;⑧“基于材料基因工程的組織誘導性骨和軟骨修復材料研制”,由四川大學牽頭;⑨“基于材料基因工程的高豐度稀土永磁材料研究”,由中國科學院寧波材料技術與工程研究所牽頭;⑩“基于高通量結構設計的稀土光功能材料研制”,由中國科學院福建物質結構研究所牽頭;?“高效催化材料的高通量預測、制備和應用”,由吉林大學牽頭;?“輕質高強鎂合金集成計算與制備”,由上海交通大學牽頭;?“航空用先進鈦基合金集成計算設計與制備”,由中國科學院金屬研究所牽頭;?“新型鎳基高溫合金組合設計與全流程集成制備”,由中國航空工業集團公司北京航空材料研究院牽頭。預計到2025年,新的材料設計和模擬方法將不斷優化,新材料數據庫也將不斷完善,材料的理論研發和工廠生產有望實現“中國制造2025”計劃。

          綜上所述,“材料基因組計劃”是先進材料開發的嶄新模式,力圖通過高通量材料計算、高通量材料合成和檢測實驗以及數據庫的技術融合與協同,加快材料從發現、制造到應用的研發過程的速度,降低成本。

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