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材料基因工程是材料科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷程中的一次重大飛躍，通過借鑒生物學(xué)基因工程技術(shù)，探究材料結(jié)構(gòu)（或配方、工藝）與材料性質(zhì)（性能）變化的關(guān)系，并通過調(diào)整材料的原子或配方、改變材料的堆積方式或搭配，結(jié)合不同的工藝制備，得到具有特定性能的新材料。

 

中國(guó)工程院謝建新院士研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《Engineering》2022年第3期發(fā)表《中國(guó)材料基因工程的研究特色和愿景》一文。文章指出，材料基因工程是一個(gè)引領(lǐng)材料科技革命的系統(tǒng)工程，包括材料傳統(tǒng)發(fā)展理念的變革、顛覆性技術(shù)和裝備的研發(fā)與應(yīng)用、具有新思想掌握新技術(shù)的綜合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)等。文章介紹了我國(guó)全方位布局開展材料基因工程研究的相關(guān)情況，總結(jié)了“關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)—創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)—工程化推廣應(yīng)用”的一體化實(shí)施的進(jìn)展。文章還提到，通過變革傳統(tǒng)的研發(fā)理念和模式，發(fā)展新方法和高效技術(shù)，培養(yǎng)了高質(zhì)量的創(chuàng)新人才隊(duì)伍，提升了材料創(chuàng)新能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。最后，文章提出了未來5~10年我國(guó)材料基因工程發(fā)展的四項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)。

 

在新一輪全球科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，我們所面臨的最大瓶頸之一就是材料技術(shù)的缺乏，迫切希望在材料科技領(lǐng)域也能發(fā)生重大變革，而不是漸進(jìn)式的緩慢發(fā)展。材料基因工程（MGE）在此背景下迅速發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用已成為材料研究前沿。在材料研發(fā)-生產(chǎn)-應(yīng)用全鏈條，構(gòu)筑“理性設(shè)計(jì)-高效實(shí)驗(yàn)-大數(shù)據(jù)技術(shù)”深度融合、協(xié)同創(chuàng)新的新型研發(fā)模式和技術(shù)創(chuàng)新體系，顯著提升新材料的研發(fā)效率，促進(jìn)工程化應(yīng)用，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)新材料日益增長(zhǎng)的迫切需求，是材料基因工程的目標(biāo)和使命，也是當(dāng)前材料科技領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。

 

材料基因工程是一個(gè)引領(lǐng)材料科技革命的系統(tǒng)工程，包括材料傳統(tǒng)發(fā)展理念的變革、顛覆性技術(shù)和裝備的研發(fā)與應(yīng)用、具有新思想掌握新技術(shù)的綜合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)等。為了推動(dòng)新材料科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，中國(guó)全方位地布局開展材料基因工程的研究，以期通過“關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)—創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)—工程化推廣應(yīng)用”的一體化實(shí)施，變革傳統(tǒng)的研發(fā)理念和模式，發(fā)展新方法和高效技術(shù)，培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)新人才隊(duì)伍，提升材料創(chuàng)新能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

 

國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)全方位布局研究

 

2015年科技部投入8.4億元人民幣，設(shè)立“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺(tái)”重點(diǎn)專項(xiàng)，構(gòu)建支撐材料基因工程研究和協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展的高效計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫等三類示范平臺(tái)，研發(fā)材料高效計(jì)算方法與軟件、高通量制備與表征技術(shù)、材料服役行為高效評(píng)價(jià)技術(shù)、材料數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)技術(shù)等四大關(guān)鍵技術(shù)，在能源材料、生物醫(yī)用材料、稀土功能材料、催化材料、特種合金材料等五類材料上開展驗(yàn)證性應(yīng)用示范，推動(dòng)材料基因工程新方法和新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。其中，關(guān)注材料制造工藝優(yōu)化、材料服役行為高效評(píng)價(jià)技術(shù)等研究，是國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)的重要特色之一。國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)的主要研究任務(wù)為：

 

（1）通過研發(fā)高通量和自動(dòng)流程算法，實(shí)現(xiàn)新材料成分-結(jié)構(gòu)-性能的快速篩選；發(fā)展集成計(jì)算材料工程（ICME），解決材料多層次、跨尺度計(jì)算設(shè)計(jì)瓶頸，建立材料成分-組織結(jié)構(gòu)-性能-工藝的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化。以中國(guó)強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)資源為硬件條件，融合材料高通量計(jì)算和集成計(jì)算材料工程，建立材料理性設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)和支撐條件。

 

（2）應(yīng)用薄膜材料制備、3D打印、擴(kuò)散多元節(jié)、連續(xù)定向凝固、梯度熱處理等技術(shù)，發(fā)展適合不同形態(tài)（薄膜、粉體、塊體）材料的高通量制備技術(shù)和裝置。依托同步輻射光源和散列中子源等科學(xué)研究裝置，開發(fā)適合于海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)快速處理的解析算法，發(fā)展適合材料成分和結(jié)構(gòu)表征的高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)。通過高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)與裝備的研發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)材料理性設(shè)計(jì)方案的快速驗(yàn)證，以及材料成分、組織結(jié)構(gòu)和工藝的高通量篩選和優(yōu)化。

 

（3）研發(fā)材料服役與失效的跨尺度模擬計(jì)算方法、高效評(píng)價(jià)方法及等效加速模擬實(shí)驗(yàn)、材料服役大數(shù)據(jù)等新材料工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，突破服役與失效行為研究周期長(zhǎng)、成本高的瓶頸，加速新材料應(yīng)用進(jìn)程，形成中國(guó)材料基因工程面向工程應(yīng)用的重要研究特色。

 

（4）研發(fā)集數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、歸檔、挖掘、應(yīng)用為一體的智能化數(shù)據(jù)庫技術(shù)，支撐/服務(wù)于高效計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)自動(dòng)處理和積累，構(gòu)建集數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)分析、新材料發(fā)現(xiàn)、新產(chǎn)品開發(fā)等功能為一體的材料數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，促進(jìn)大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)在新材料研發(fā)中的應(yīng)用。

 

地方政府和企業(yè)積極投入研發(fā)經(jīng)費(fèi)

 

在國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)牽引下，地方政府和部門也積極支持材料基因工程研究。代表性的投入項(xiàng)目有：2017年北京市政府和中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合投入5.7億元人民幣，建設(shè)國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的材料基因工程研究設(shè)施；北京市政府投入5億元人民幣，建立“北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心”，凝聚材料基因工程領(lǐng)域的頂級(jí)科學(xué)家開展合作研究和高層次人才培養(yǎng)；2017年深圳市政府投入7.1億元人民幣，建設(shè)材料基因組工程大科學(xué)平臺(tái)。2018年以來，云南省人民政府針對(duì)地方新材料產(chǎn)業(yè)的特色，持續(xù)投入超過4億元人民幣，建設(shè)稀貴金屬材料基因工程創(chuàng)新平臺(tái)，承接國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)的研發(fā)成果，開展稀貴金屬新產(chǎn)品的研發(fā)。此外，上海市、廣東省等省市和一些材料相關(guān)大型企業(yè)也設(shè)立了相關(guān)研究項(xiàng)目。

 

國(guó)家引導(dǎo)和支持構(gòu)建協(xié)同創(chuàng)新體系

 

國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)重點(diǎn)支持材料基因工程關(guān)鍵共性技術(shù)、軟件和裝備的研發(fā)，構(gòu)建材料設(shè)計(jì)-研發(fā)-生產(chǎn)-應(yīng)用全鏈條技術(shù)體系和創(chuàng)新平臺(tái)，開展協(xié)同創(chuàng)新研究。引導(dǎo)地方政府和企業(yè)投入，開展材料基因工程技術(shù)的工程化應(yīng)用和新材料、新產(chǎn)品開發(fā)，促進(jìn)研發(fā)部門和企業(yè)的實(shí)質(zhì)性合作，提升企業(yè)的積極性和參與度，促進(jìn)材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)和裝備的工程化應(yīng)用。為了支撐材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展，國(guó)家支持和引導(dǎo)開展材料基因工程的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，協(xié)調(diào)構(gòu)建材料基因工程的技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)體系。中國(guó)材料與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（CSTM）建立了材料基因工程標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，2019年發(fā)布了全球首個(gè)材料基因工程通則標(biāo)準(zhǔn)，為全面推廣材料大數(shù)據(jù)模式奠定了基礎(chǔ)。

 

材料基因工程研究新文化與新環(huán)境正在快速形成

 

例如，2017年開始，中國(guó)工程院舉辦每年一屆的“材料基因工程高層論壇”，宣傳推廣材料基因工程的思想和理念，加強(qiáng)國(guó)際學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)材料基因工程基礎(chǔ)理論、前沿技術(shù)和關(guān)鍵裝備的發(fā)展及應(yīng)用。中國(guó)材料大會(huì)每年均設(shè)立材料基因工程分會(huì)。中國(guó)金屬學(xué)會(huì)舉辦了系列講座。一些高校的材料學(xué)科開設(shè)了計(jì)算材料學(xué)或材料信息學(xué)、材料高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)、材料大數(shù)據(jù)技術(shù)等課程，培養(yǎng)材料基因工程的專業(yè)人才。

 

材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)快速發(fā)展

 

經(jīng)過近5年的發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)基本形成了材料基因工程產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同發(fā)展的態(tài)勢(shì)，取得了一批創(chuàng)新性的研究成果，工程化應(yīng)用的成效正在彰顯，呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展勢(shì)頭和巨大的工程化應(yīng)用前景。2019年美國(guó)發(fā)布的材料基因組計(jì)劃人才培養(yǎng)報(bào)告認(rèn)為，中國(guó)材料基因工程的發(fā)展理念和實(shí)施成效體現(xiàn)出了更廣泛的產(chǎn)學(xué)研一體化的特點(diǎn)。

 

共性關(guān)鍵技術(shù)、軟件和裝備研發(fā)主要進(jìn)展

 

開發(fā)出了多套材料高通量并發(fā)式自動(dòng)流程計(jì)算和多尺度計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)了萬量級(jí)（104級(jí)）高通量并發(fā)式計(jì)算，部署在超算平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了初步開放共享；研發(fā)出了薄膜、粉體、塊體等多種形態(tài)材料高通量制備技術(shù)和裝置，以及材料熱處理、凝固和加工工藝優(yōu)化的高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)；發(fā)展了材料失效的多層次、跨尺度算法及復(fù)雜環(huán)境材料服役行為高效評(píng)價(jià)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了材料腐蝕和斷裂的高效表征及快速評(píng)價(jià)；構(gòu)建了集數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)庫-數(shù)據(jù)挖掘?yàn)橐惑w、可擴(kuò)展的材料基因工程理念數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜異構(gòu)材料數(shù)據(jù)的個(gè)性化描述、便捷匯交和挖掘分析。

 

新材料研發(fā)和工程化應(yīng)用主要進(jìn)展

 

應(yīng)用材料組合制備技術(shù)，結(jié)合X射線衍射高通量結(jié)構(gòu)表征和電阻測(cè)量技術(shù)，研發(fā)出國(guó)際上玻璃轉(zhuǎn)變溫度最高、強(qiáng)度最高、具有良好熱塑成形性能的新型高溫塊體金屬玻璃 Ir-Ni-Ta-(B)。

 

發(fā)現(xiàn)TiZrHfNb高熵合金中間隙元素存在化學(xué)短程有序，有序間隙化合物改變位錯(cuò)剪切模式，可以同時(shí)提升材料強(qiáng)度和延展性，在高熵合金中摻雜2%（原子分?jǐn)?shù)）的O，合金強(qiáng)度增加48.5%，延性增加95.2%，為金屬材料的增強(qiáng)增韌設(shè)計(jì)提供了全新的思路。

 

證明了錐面位錯(cuò)是Mg中有效的塑性載體，通過提高應(yīng)力和減小晶粒尺寸，促進(jìn)錐面位錯(cuò)形核和滑移，提高M(jìn)g的塑性，為高塑性Mg合金的開發(fā)提供了新的技術(shù)途徑。通過Na與Ag的合金化和Bi的痕量摻雜，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定非鉛雙鈣鈦礦Cs2Ag‐InCl6單基質(zhì)白光發(fā)光，突破了白光熒光粉近半個(gè)世紀(jì)的效率瓶頸，為非鉛鈣鈦礦發(fā)光材料的研究提供了新思路。

 

提出面向性能要求的合金設(shè)計(jì)新方法，構(gòu)建了合金成分機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)模型，解決了高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金根據(jù)使用性能要求設(shè)計(jì)成分的難題，開發(fā)出了下一代極大規(guī)模集成電路引線框架高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金[強(qiáng)度達(dá)到800 MPa級(jí)，導(dǎo)電率達(dá)到50%國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)（IACS）]。

 

通過高通量實(shí)驗(yàn)篩選，開發(fā)了高性能苯與乙烯液相烷基化催化劑和新一代新型MFI結(jié)構(gòu)形貌擇向的納米片分子篩，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工程應(yīng)用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

 

中國(guó)材料基因工程未來發(fā)展

 

未來5~10年，面向高端新材料研發(fā)、產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代、提升自主保障能力和原始創(chuàng)新能力等重大需求，中國(guó)將實(shí)施國(guó)家材料基因工程計(jì)劃。

 

該計(jì)劃聚焦四個(gè)方面的重點(diǎn)任務(wù)：

 

第一是共性關(guān)鍵技術(shù)，包括材料先進(jìn)計(jì)算方法與軟件、材料自動(dòng)化智能化實(shí)驗(yàn)技術(shù)及裝備、材料大數(shù)據(jù)技術(shù)、材料研發(fā)智能化技術(shù)等；

 

第二是材料基因工程基礎(chǔ)設(shè)施和創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)，包括ICME平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫和大數(shù)據(jù)技術(shù)平臺(tái)，以及材料設(shè)計(jì)、制備與表征評(píng)價(jià)技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)；

 

第三是材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)在前沿新材料、高端關(guān)鍵材料領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用，推動(dòng)傳統(tǒng)試錯(cuò)法材料研究模式的變革；

 

第四是將MGE模塊嵌入大學(xué)的材料科學(xué)與工程課程之中，培養(yǎng)大量綜合型和創(chuàng)新型人才。