材料基因组简介

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1、材料基因组计划材料基因组计划 第四次产业革命第四次产业革命 黄孙超 中国科学院固体物理研究所 2015.11.25 1 国际背景国际背景 长期以来欧美发达国家一直主导新材料的研发，进入21 世纪以来，他们越发意识到传统科学直觉和试错法材料研 发模式跟不上社会发展的脚步，成为限制社会发展进步的 瓶颈。为了维护自己的主导地位，他们纷纷提出了新材料 的设计理念和新方法。如美国的材料基因组计划、日本的 玻璃、陶瓷、合金钢等领域材料数据库、知识库等，欧盟 的高通量试验平台，德国的工业4.0。 2 国内现状国内现状 在1999年6月召开了以“发现和优化新材料的集成组合方法” 为主题的香山会议，很多单位进

2、行了相关尝试，但是由于各种 问题，最后没有得到普及和开展。当美国宣布材料基因组计划 后，在国内引起了极大的响应，主要学术活动主要学术活动如下： 2011年12月21-23日以“材料科学系统工程”为主题的香山会议香山会议； 2013年3月14 日材料基因组咨询项目启动会咨询项目启动会； 2013年12月15日“2013中国先进功能材料基因组技术高峰论坛高峰论坛” 2014年4月18-20日第六届无机材料专题材料基因组工程研究进展材料基因组工程研究进展； 2014年科学院和工程院分别向国务院提交咨询报告咨询报告； 2015年9月17-20日的“材料基因组科学技术论坛材料基因组科学技术论坛”； 20

3、15年国家重点优先发展专项重点优先发展专项。 3 2011年年12月月2123日日 香山科学会议学术讨论会，主题“材料科学系统工程”，旨在应对美 国提出的材料基因组研究计划，对我国如何规划、开展实施自己的材 料科学系统工程提出建议并进行深入的研讨。 国家自然科学基金委员会师昌绪师昌绪研究员 中国工程院徐匡迪徐匡迪教授 清华大学顾秉林顾秉林教授 中科院物理所陈立泉陈立泉研究员 中科院金属所叶恒强研叶恒强研究员 中科院化学所朱道本朱道本研究员 北京有色金属研究总院屠海令屠海令研究员 4 2013 年年3 月月14 日日 材料基因组”咨询项目启动会暨“材料基因组” 师昌绪、徐匡迪、陈难先、崔俊芝、干

4、勇、葛昌纯、顾秉林、江东亮、 黎乐民、南策文、屠海令、王崇愚、王鼎盛、王海舟、徐惠彬、薛其 坤、杨裕生、叶恒强、张统一、张兴栋、周廉、朱静、祝世宁等23位 中国科学院、中国工程院院士，近100 位知名专家参加了本次会议。 王绍青教授的材料基因组背景、现状及发展趋势、杨锐教授的 新型金属高强合金创新与发展，清华大学王崇愚院士的高通量 材料组合设计与计算目标材料: 第四代单晶高温合金，中科院材料组合设计与计算目标材料: 第四代单晶高温合金，中科院 物理所汪卫华教授的原子短程序与金属材料力性机制，上海大学 鲁晓刚教授的计算热力动学与材料设计基础数据库，清华大学薛 其坤院士的基础量子效应与先进量子材料

5、方忠拓扑材料与重元素， 清华大学段文晖教授的第一性原理计算与新型电子材料设计、南 策文院士的介观尺度上的组合设计: 新型复合材料，复旦大学龚 新高教授的新型半导体能源材料陈冠华下一代半导体器件的设计、 模拟及新材料的探索以及吉林大学马琰铭教授的材料结构预测及 软件分析。 5 2013年年12月月15日日 “2013中国先进功能材料基因组技术高峰论坛”，中科大 陈立泉、吴以成、祝世宁、严纯华、李言荣、南策文、李亚栋、薛群 基、江东亮、谢毅等院士。 为加速材料研发和应用的速度，材料科学家近年来将多学科尖端科学 技术（如芯片制造、高性能计算、同步辐射等）引入到材料研究，发技术（如芯片制造、高性能计算

6、、同步辐射等）引入到材料研究，发 展了以“组合材料芯片”技术为代表的材料高通量制备和表征技术 （10-106样品/次实验），使得采用传统方法需要花费数年时间的工作 在极短的时间（如一星期）内即可完成。 6 2014年年4月月18-20日日 第六届无机材料专题材料基因组工程研究进展 中国科学院物理研究所陈立泉院士， 中国科学院金属研究所叶恒强院士， 数学与系统科学研究院崔俊芝院士， 中国钢研科技集团有限公司王海舟院士， 中国钢研科技集团有限公司王海舟院士， 清华大学王崇愚院士，上海大学周国治院士， 上海硅酸盐研究所江东亮院士， 上海交通大学丁文江院士， 中国科学院理化技术研究所吴以成院士， 清华

7、大学南策文院士200余名中外学者齐聚一堂。 7 我国开展材料基因组计划的必要性我国开展材料基因组计划的必要性 我国新材料研发的现状是：急需的新材料找不到，能找到新材料找不到，能找到 的又做不出，能做出的又做不好，核心竞争力令人堪忧的又做不出，能做出的又做不好，核心竞争力令人堪忧1。 国家工业和信息化部对30余家大型骨干企业调查结果显示： 在所需的130种关键材料中有32%国内完全空白，54%国内 虽能生产，但性能稳定性较差，只有14%左右国内可以完 全自给2。 1.汪洪，向勇，项晓东，陈立泉. 材料基因组材料研发新模式J. 科技导报, 2015, 33, (3). 2.王兴艳, 宋显珠. 我国

8、新材料产业自主创新能力建设反思J. 新材料产业, 2014(4): 60-62. 8 材料基因组计划材料基因组计划新材料发展的出路新材料发展的出路 传统方案传统方案：引进消化吸收再创新 关键技术，关键材料受国外封锁。 自力更生自力更生： “一代材料，一代产业” ，材料的每一次更新换代，都会 对原先的制造体系，包括设备、技术、标准等造成颠覆性的改变。 因此如果按部就班地发展，从零起步，即使一切顺利，经过10-20年因此如果按部就班地发展，从零起步，即使一切顺利，经过10-20年 即便研发出了某种高端材料并达到了应用水平，那时国外很可能已 经发展出更先进的材料。中国的材料可能依然落后，不得不进入新

9、 一轮的追赶。 可能方案：可能方案：材料基因组计划材料基因组计划 9 材料基因的实质材料基因的实质 材料研发理念的转变： 市场与应用为导向，缩短研发，应用周期； 从鸟枪法到地毯式搜索的转变； 从钓鱼到打鱼的转变；从钓鱼到打鱼的转变； 以理论预测在先，实验验证在后的方式代替实验在前理论 在后的转变，从而实现从点到面的飞跃。 最终目的：最终目的：实现研发周期和研发费用同时减半。 10 国内材料基因组的基础国内材料基因组的基础 没有通用的自主研发的计算软件 没有成熟的高通量计算平台 没有充足的数据库 没有自主研发的高通量试验平台没有自主研发的高通量试验平台 前途一片光明，却又没有明确的出路。这即是机

10、遇 也是挑战，能否成功关键看团队是否齐心，领导是否有 成功的信念和必胜的决心。 11 国内相关文献国内相关文献 共找到相关中文文献40多篇，其中只有3篇文献报道了课题 组相关研究，其余都是概念讨论概念讨论和相关问题分析。 关注点关注点材料基因组的概念材料基因组的概念 虽然至今未被精确定义，但是这种材料设计理念逐渐被认 可，即依靠计算工具计算工具、实验手段实验手段和数字化数据数字化数据3大手段实现以理3 论预测在先，实验验证在后的方式代替实验在前理论在后的转变， 从而实现从点到面的飞跃。实现研发周期和研发费用同时减半。 1刘梓葵. 关于材料基因组的基本观点及展望J. 科学通报,2013,35:3

11、618-3622. 2王绍青,叶恒强. 晶体材料基因组问题第一原理计算研究J. 科学通报,2013,35:3623-3632. 3GREN John. 材料基因组与相图计算J. 科学通报,2013,35:3633-3637. 4陈龙庆. 相场模拟与材料基因组计划J. 科学通报,2013,35:3638-3641. 5赵继成. 材料基因组计划中的高通量实验方法J. 科学通报,2013,35:3647-3655. 6王卓,杨小渝,郑宇飞,雍岐龙,苏航,杨才福. 材料基因组框架下的材料集成设计及信息平台初探J. 科学通报 ,2013,35:3733-3744. 12 8. 中国材料基因组计划如何跨出

12、第一步?J. 中国材料进展,2014,Z1:528-529. 9范晓丽. 一个整体多个层次协同创新材料基因组计划研究进展论坛侧记J. 中国材料进展 ,2014,Z1:530-531. 10王方. 美国材料基因组计划战略规划要点解读会J. 中国材料进展,2014,Z1:567. 11刘俊聪,王丹勇,李树虎,陈以蔚,魏化震. 材料基因组计划及其实施进展研究J. 情报杂志,2015,01:61-66. 12田恬. 材料基因组工程推动材料创新的引擎J. 科技导报,2015,10:3. 13张金仓,张文清. 我国材料基因组发展及其研究基地建设的思考与探索J. 科技导报,2015,10:12. 14汪洪,

13、向勇,项晓东,陈立泉. 材料基因组材料研发新模式J. 科技导报,2015,10:13-19. 15施思齐,徐积维,崔艳华,鲁晓刚,欧阳楚英,张艳姝,张文清. 多尺度材料计算方法J. 科技导报,2015,10:20- 30. 16王海舟,汪洪,丁洪,项晓东,向勇,张晓琨. 材料的高通量制备与表征技术J. 科技导报,2015,10:31-49. 16,. J. ,2015,10:31-49. 17尹海清,刘国权,姜雪,张瑞杰,曲选辉. 中国材料数据库与公共服务平台建设J. 科技导报,2015,10:50-59. 18史迅,杨炯,陈立东,杨继辉,张文清. “材料基因组”方法加速热电材料性能优化J.

14、科技导报 ,2015,10:60-63. 19王薪,朱礼龙,方姣,刘军,戚海英,江亮. 基于“材料基因组工程”的3种方法在镍基高温合金中的应用J. 科技导报,2015,10:79-86. 20. 上海材料基因组工程研究院成立J. 杭州化工,2015,02:46. 21范晓丽. 材料基因组计划与第一性原理高通量计算J. 中国材料进展,2015,09:65-71. 22骆军委,李树深. 半导体材料基因组计划:硅基发光材料J. 物理学报,:1-12. 23尹海清,曲选辉,谢建新. 材料基因组计划在北京地区的实施与发展分析J. 新材料产业,2014,01:27-29. 24冯瑞华,姜山. 国外材料计算

15、学研究战略与计划分析J. 科技管理研究,2014,03:34-39. 13 25. 第六届无机材料专题材料基因组工程研究进展研讨会第一轮通知J. 硅酸盐学报,2014,03:423. 26. 第六届无机材料专题材料基因组工程研究进展研讨会第一轮通知J. 硅酸盐学报,2014,02:261. 28赵继成. 材料基因组计划简介J. 自然杂志,2014,02:89-104. 30. 材料基因组计划可加快新材料产出J. 功能材料信息,2014,02:40-41. 31关永军,益小苏. 航空材料工业发展材料基因组技术的思路及实践J. 新材料产业,2014,06:17-21. 32孙晓霞. 我国材料基因组工程发展之专家声音J. 新材料产业,2014,06:1-3. 33万勇,冯瑞华,姜山,黄健. 美国材料基因组计划实施的一系列举措J. 新材料产业,2014,06:4-7. 34于灏. 美国材料基因组计划最新进展跟踪J. 新材料产业,2014,06:8-9. 35李茜,张海亮. 美国材料基因组计划对我国的启示J. 新材料产业,2014,06:10-12. 36. 第六届无机材料专题一材料基因组工程研究进展研讨会纪要J. 硅酸盐通报,2014,05:1275. 40万勇,黄健,冯瑞