材料基因组技术是一种贯穿材料“发现-研发-生产-应用”全生命周期过程的工具技术，具体包含了高通量材料计算、高通量材料实验、材料数据库三大要素平台的建立以及协同融合使用。三大平台将与现有的产品设计框架无缝衔接，通过理论模拟和计算完成先进材料的“按需设计”，这种颠覆性的改变，在短期内可将材料周期至少缩短一半，成本降低一半，即材料基因组技术是材料开发的“加速器”。这是当今国际材料领域正在发展的一种新型的、系统性的、高效率的材料研发方法，预计将会引发一系列技术创新和商业模式变革。

    一、美国材料基因组计划发展背景

    现阶段，从新材料的发现到最终工业化应用一般需要10~20年的时间，新材料的研发模式主要依据研究者的科学认知和大量重复的“尝试法”实验。美国、欧洲等在材料领域具备先发优势的国家逐渐意识到这种传统材料研究方法已跟不上其工业快速发展的需求。革新材料研发方法，加速材料从研发到应用的进程成为各国共同的需求。

    近十几年来，美国对于材料实验技术与方法研究持续进行了巨大投入，发展出一系列的先进材料研发实验工具，包括先进的高通量材料制备与表征方法与技术。基于这个前提，美国在2011年提出了材料基因组计划（MaterialsGenomeInitiative，MGI），意在通过结合使用计算能力、数据管理和新的综合性方法，使这些先进的实验工具发挥更大的效能。2012财年，奥巴马拔出1亿美元专款支持启动这项计划。

    二、美国材料基因组计划的目标

    材料基因组计划是2011年先进制造业伙伴计划中的重要子计划，汇聚了美国多个部门的资源。该计划主要包括三个目标。

    一是开发一种全新的材料创新架构，通过新材料研制周期内各个环节的彼此衔接，加速美国材料技术的进步，提升其先进制造业能级，保持美国在核心科技领域的优势和全球的竞争力。

    二是利用高级材料实现国家目标，包括国家安全相关材料、人类健康和福利相关材料和清洁能源系统相关材料。1、国家安全相关材料。包括轻质保护材料、电子材料、储能材料、生物替代材料、稀土关键材料等。2、人类健康和福利相关材料。从生物相容性材料到防受伤的保护材料设计（如假肢或人工器官）。3、清洁能源系统相关材料。如生物燃料催化剂、直接从阳光产生能量的人工光合作用、高效的太阳能光伏、便携式能源存储设备等。

    三是培养新一代的材料研究工作团队，在先进材料研究中形成更加开放、协作的氛围，培育大团队协作性的网络，强化“官产学研用”之间的协作与共享机制，类似于我国提出的“协同创新”。

    三、美国材料基因组的行动计划

    美国材料基因组的行动计划见下表。

    四、启示与建议

    美国材料基因组计划具有重要的借鉴作用，我国和上海发展材料基因组工程可从以下三个方面着手：

    一是加强材料基因组技术理念的宣传推广。科技等相关部委有必要定期组织研讨会讲座等形式的活动，介绍推广这一先进材料研究理念和方法，营造有利于不同学科、不同领域、不同环节充分交流的氛围，协同创新。

    二是尽快建设具有国际领先水平的材料基因组技术平台。大型硬件平台需要国家尽快投入，建成国家级设施，以公共资源的形式向全社会提供服务。另一方面，为推广高通量材料实验方法，在发展初期按照材料形态分类建立少量制备与表征的实验技术推广中心或示范平台。

    三是充分发动各领域材料研发人员应用材料基因组技术和平台快速研发工业发展亟需的关键新材料。如在重大专项、基金项目、军工等项目指南中建议项目申报单位尽可能采用材料基因组的研究方法。

    延伸阅读：美国材料基因组计划实施的一系列举措

    近些年以来，该计划从起步阶段仅有4家联邦机构、6 300万美元投资，到现在数以亿计的资金，以及全美的大学、企业、专业团体、科研人员广泛加入，共同致力于材料科学与创新领域的发展。2013年6Y]24日，在MGI实施2周年之际，美国部分大学、企业、联邦机构及其他材料科学相关团体等发布了2O多项新的承诺，旨在推动该计划第3年的发展。以下梳理一下该计划实施以来，美国各界出台的一系列举措。

    一、高校筹建相关研究所和数据库，并开设相关课程

    在计算材料科学、数据分析、实验工具开发、材料合成与表征等方面官一产一学合作的基础上，威斯康星大学麦迪逊分校工程学院计划先期投入500万美元建设威斯康星材料创新研究所。这个跨学科的技术枢纽中心将为材料研究团队提供基础设施、开创研究人员协同机制，并有望在创新方法、材料、新科学方向等方面夯实美国制造业的竞争力。

    二、相关材料学会建立论坛及数据网络，并开展问卷调查

    2012年4fl，由美国矿物、金属和材料学会（TMS）领衔开设了MGI网络论坛，成员机构包括美国陶瓷学会（A CerS）、美国土木工程师学会（ASCE）、国际汽车工程师学会（SAEInternationa1）、材料信息学会（ASMInternationa1）、美国机械工程师学会（ASME）、大学材料委员会（uM C）、材料研究学会（MRS）、美国国家腐蚀工程师协会（NACE）、美国化学工程师协会（AIChE）、美国材料与过程工程促进会（SAMPE）和美国采矿、冶金与勘探协会（SME）等。各成员单位将不定期发布各自有关MGI的会议、出版物、培训、新闻等各类活动。2012年11月，美国材料信息学会创立了计算材料数据网络（Computational Materials DataNetwork）。总部位于马里兰州的管理及技术咨询服务商Nexight Group公司承担该网络在初创阶段的数据收集、发布、管理等事务，并就加工工艺材料数据、航空结构材料数据、国家材料研究数据库等试验项目开展小规模调研。该网络还组建了由来自联邦部门、行业学会、研究机构和相关企业等的专家组成的材料科学与工程领域咨询团队。

    三、联邦机构设置诸多项目推

    进MGI在MGI实施过程中，主要有能源部、商务部、国防部和国家科学基金会通过项目申请、成立新研究机构等途径开展相关项目的资助，同时，与私营企业等开展合作加速材料发现与开发。具体来看：

    1.能源部联合高校及企业搭平台、建新所

    2.商务部组建卓越研究中心

    3.国防部门开展数据基础设施及结构材料合作研究

    4.国家科学基金会研究设施助力MGl

    四 MGI对我国的借鉴意义

    新材料的发展长期以来采用的是通过以经验、半经验为基础的传统“炒菜”式实验来摸索，并给予确认的研究模式。这种模式的效率很低，已经难以适应当前世界各国经济快速发展的需求，而且需耗费大量的资源、能源和人力，非常不经济。新材料的研究应用时

    间跨度非常长，从设计、开发、实验、优化、表征到集成，应用、首次投入市场，往往需要10～20年的时间。此外，各个环节的研究工作团队“单打独斗”，缺乏合作及数据共享，也是新材料发展的一大障碍。随着经济发展和科技进步，按需设计材料、精确控制性质已成为先进材料发展的一个必然趋势。材料计算与模拟是实现我国材料科学与技术跨越式发展的有效途径之一。为使我国材料行业摆脱跟踪仿制的老路，顺利实现材料产业的技术变革，应设立若干基础研究项目，并加强平台建设，开展深入研究，开发高级计算模拟方法及工具，助力科学发现，加速高性能材料的研发和产业化进程，增强我国在材料计算模拟领域的国际竞争力。

    在国家部门层面，出台推动材料基因工程研究的相关政策措施和专项基金，辅助相关研究机构在业已取得研究成果的基础上，进一步开展工作，推动我国在材料计算模拟领域的国际竞争力。在人才培养上，材料基因工程研究涉及材料、物理、化学、力学、计算机等诸多学科，对从事该领域的研究人员提出了更加全面、严格的知识能力要求。我国相关高校和研究院所在培养专业复合型人才方面，可以借鉴美国大学在机构（部门、实验室）设置、校企合作、课程安排等方面的经验。在合作交流方面，需要整合力量，抱团发展。国外在大型仪器设备、数据库方面很注重资源共享，我国需要不断学习国外这种广开门路的精神，实现资源共享，避免“各自为政”、重复建设。此外，我国还可以与国外相关机构建立合作研究、交流互访机制。针对美国MGI，我国在2011年12月召开了以“材料科学系统工程”为主题的香山科学会议。会议围绕材料基因组数据库、计算方法发展及计算模拟软件的自主开发与整合、材料基因组快速测试平台、重点材料的选取与示范性突破研究等议题展开了讨论。2012年l2月，由工程院领衔的“材料科学系统工程发展战略研究—— 中国版材料基因组计划”重大项目启动。相信从国家到地方一系列举措的实施，必将大力推动我国材料基因组研究的长足发展。

责任编辑：王元

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