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新材料是發(fā)展高端制造業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是高新技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)。為了加速新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，重振美國高端制造業(yè)，2011 年6 月，時任美國總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動了“面向全球競爭力的材料基因組計劃”(Materials Genome Initiative for Global Competitiveness，簡稱“材料基因組計劃”)，重點建設(shè)材料高通量計算、高通量實驗和材料大數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)設(shè)施和平臺，形成新材料創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)條件和能力。

2014年美國將“材料基因組計劃”提升為“國家戰(zhàn)略”，深入詮釋了“材料基因組計劃”的內(nèi)涵，明確其核心內(nèi)容和目標是：通過實驗-計算-理論的集成創(chuàng)新，加速材料大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)具有材料基因組新思想和新理念的材料工作者，變革材料研發(fā)文化，加速美國新材料和高端制造業(yè)的發(fā)展。作為實現(xiàn)材料基因組計劃的重要舉措，美國建設(shè)了45 個材料基因組創(chuàng)新平臺，每個平臺政府投資0.7~1.2 億美元，建設(shè)周期5~7 年。

2018 年美國RTI 國際咨詢公司和華盛頓大學(xué)經(jīng)濟政策研究中心對建設(shè)材料基因組基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)濟性進行了分析，通過對120 位企業(yè)家的咨詢和調(diào)研得出結(jié)論：材料基因組是集基礎(chǔ)研究、共性技術(shù)、工業(yè)放大技術(shù)和產(chǎn)品集成技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)，是對材料發(fā)現(xiàn)、開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用等階段的全過程加速，是打破新材料研究與市場化之間瓶頸、加速新材料產(chǎn)業(yè)化的有效手段；材料基因組關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用，可以降低新材料研發(fā)風(fēng)險1/2 以上，縮短新材料從發(fā)現(xiàn)到工程化應(yīng)用時間1/3 以上，降低研發(fā)成本1/3 以上，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益約為1230~2700 億美元/年。2019 年美國發(fā)布了關(guān)于材料基因組人才培養(yǎng)的報告，定義了材料基因組專業(yè)人才應(yīng)該具備數(shù)據(jù)處理、計算建模、計算機仿真、可視化和軟件管理的技能，具有材料多層次、跨尺度集成計算的能力，掌握高通量和自動化實驗的技能。

美國宣布“材料基因組計劃”后，歐盟、日本和印度等國家迅速啟動了類似的研究計劃，爭取在新一輪材料革命性發(fā)展中占有先機。中國工程院和科學(xué)院開展了廣泛的咨詢和深入的調(diào)研，科技部于2015年啟動了“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺”重點專項(簡稱“材料基因工程重點專項”)，開展材料基因工程基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)與裝備、驗證性示范應(yīng)用的研究，布局了示范性創(chuàng)新平臺的建設(shè)。在材料科技工作者的努力下，中國材料基因工程研究取得了令人矚目的進展。

北京科技大學(xué)謝建新院士課題組院士在材料基因工程的概念與內(nèi)涵，材料基因工程重點專項，新材料發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化與性能提升，關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)，帶動地方創(chuàng)新平臺建設(shè)和專項研究，引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展，推動創(chuàng)新人才培養(yǎng)，材料人工智能技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)工程化應(yīng)用，未來發(fā)展方向建議等方面進行了綜述。這些研究進展表明材料基因工程新理念、新方法和新技術(shù)的推廣應(yīng)用，可以大幅度提升創(chuàng)新能力和水平，顯著加速新材料的研發(fā)和應(yīng)用。相關(guān)綜述以題“中國材料基因工程研究進展”發(fā)表在國內(nèi)頂級材料期刊金屬學(xué)報上。

論文鏈接：DOI 10.11900/0412.1961.2020.00199

材料基因工程是材料科技領(lǐng)域的顛覆性前沿技術(shù)，是材料科學(xué)與工程學(xué)科的重要發(fā)展方向；其核心任務(wù)是借鑒人類基因組計劃的研究理念和方法，加速新材料的研發(fā)和應(yīng)用；通過構(gòu)建材料高通量計算設(shè)計平臺、高通量實驗平臺和數(shù)據(jù)庫平臺等三大平臺，實現(xiàn)材料研發(fā)“理性設(shè)計-高效實驗-大數(shù)據(jù)技術(shù)”的深度融合和全過程協(xié)同創(chuàng)新；通過突破高效計算方法、高通量實驗方法、材料大數(shù)據(jù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)新材料研發(fā)周期縮短一半、研發(fā)成本降低一半的目標。

圖1 材料基因工程變革研發(fā)模式

圖2 材料基因工程方法發(fā)現(xiàn)新型高溫塊體金屬玻璃Ir-Ni-Ta-(B)

圖3 激光分子束外延-掃描隧道顯微鏡(STM)高通量制備與表征系統(tǒng)[

圖4 材料基因工程理念數(shù)據(jù)庫技術(shù)[

圖5 機器學(xué)習(xí)方法發(fā)現(xiàn)新型高強高導(dǎo)銅合金

材料基因工程研究有力地推動了我國材料科技領(lǐng)域前沿共性關(guān)鍵技術(shù)、前沿新材料的研究和發(fā)展，推動了材料基因工程新理念和新方法的形成和發(fā)展，促進了材料科技前沿技術(shù)發(fā)展。尤其是材料基因工程國家重點專項的實施，產(chǎn)出了一批原創(chuàng)性的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，研制出了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的裝備，一批研究成果獲得工程化應(yīng)用，為提升我國在材料科技前沿領(lǐng)域的研究水平和地位，打下了堅實的基礎(chǔ)。未來，將以建設(shè)材料基因工程創(chuàng)新平臺、綜合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)、工程化應(yīng)用為核心，推動材料基因工程的發(fā)展與應(yīng)用，通過變革材料“試錯法”的研發(fā)模式，促進新材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

感謝科技部重點研發(fā)計劃專項對材料基因工程研究的支持，感謝重點專項管理部門、專家組和項目負責(zé)人對本文提出的寶貴建議。

參考資料

[1]  材料學(xué)網(wǎng)，北科大謝建新院士團隊關(guān)于中國材料基因工程發(fā)表最新綜述！