美歐材料基因工程計(jì)劃研究現(xiàn)狀及啟示,基因工程論文

美歐材料基因工程計(jì)劃研究現(xiàn)在狀況及啟示,基因工程論文新材料的發(fā)展長期以來采用的是通過以經(jīng)歷體驗(yàn)、半經(jīng)歷體驗(yàn)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)炒菜式實(shí)驗(yàn)來探索，并給予確認(rèn)的研究形式。這種形式的效率很低，已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)下世界各國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求，而且需消耗損費(fèi)大量的資源、能源和人力，非常不經(jīng)濟(jì)。材料科學(xué)家一直在尋求研究和發(fā)展新材料的更快速、更經(jīng)濟(jì)、更有效的新途徑。凝聚態(tài)物理的多體互相作用模型及理論的重大進(jìn)展、計(jì)算物理學(xué)科和方式方法體系的建立、計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的飛速進(jìn)步等，使得對材料的構(gòu)造進(jìn)行計(jì)算預(yù)測及其性能模擬計(jì)算日益成為必要和可能。美國、歐盟、日本、新加坡、中國等世界主要國家/地區(qū)都非常注重材料計(jì)算與模擬的發(fā)展，組織施行了一系列相關(guān)的研究計(jì)劃和項(xiàng)目。始于2001年的美國能源部高級計(jì)算科學(xué)發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目是開發(fā)新一代科學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的綜合計(jì)劃[1].早在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(jìn)行了研究，并推薦將計(jì)算材料設(shè)計(jì)研究作為投資的主要方向。歐洲科學(xué)基金會的材料的從頭算模擬先進(jìn)概念計(jì)劃〔AB-initioSimula-tionsofMaterials,Psi-k2〕致力于開發(fā)凝聚態(tài)材料在原子層級的從頭算計(jì)算方式方法[2],生物系統(tǒng)與材料科學(xué)的分子模擬則關(guān)注開發(fā)計(jì)算工具，用于了解生物系統(tǒng)以及人工納米材料的介觀構(gòu)造。2002年，日本文部科學(xué)省啟動納米生物技術(shù)、能源和環(huán)境領(lǐng)域生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)仿真軟件的開發(fā)；2018年，開場間隙控制材料設(shè)計(jì)和利用技術(shù)同年，文部科學(xué)省和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省聯(lián)合推行分子技術(shù)戰(zhàn)略[3].新加坡高性能計(jì)算研究院開發(fā)的APEX〔AdvancedProcessExpert〕數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)已被用于解決工業(yè)問題，研究內(nèi)容包括計(jì)算化學(xué)、多尺度建模、固態(tài)電子學(xué)和納米構(gòu)造等。2018年6月24日，美國總統(tǒng)奧巴馬公布了一項(xiàng)超過5億美元的先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系計(jì)劃，華而不實(shí)一項(xiàng)舉措就是施行材料基因組計(jì)劃〔MaterialsGenomeInitiative,MGI〕;幾乎是同時(shí)，歐洲也啟動了加速冶金〔AcceleratedMetallurgy,AccMet〕計(jì)劃。這兩項(xiàng)大型的研究計(jì)劃都意在加速材料研發(fā)和應(yīng)用的速度，并通過降低研發(fā)成本和周期降低失敗風(fēng)險(xiǎn)。美國試圖打造全新環(huán)形開發(fā)流程，推動材料科學(xué)家重視制造環(huán)節(jié)，并通過搜集諸多實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)以及企業(yè)有關(guān)新材料的數(shù)據(jù)、代碼、計(jì)算工具等，構(gòu)建專門的數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)分享，致力于攻克新材料從實(shí)驗(yàn)室到工廠這個(gè)放大經(jīng)過中的問；歐洲則以為，在過去一萬年，對人類的技術(shù)進(jìn)步，相比其他材料，金屬和合金奉獻(xiàn)最大，加之歐盟歷來重視防備原材料的風(fēng)險(xiǎn)，因此此次專注于高性能合金的開發(fā)。表1所示是美國、歐洲正在開展的材料基因組相關(guān)研究的大概情況比照?！?】下面對美國、歐洲的這兩項(xiàng)計(jì)劃以及我們國家開展的相關(guān)工作做一概要介紹。2美歐材料基因工程計(jì)劃主要研究內(nèi)容2.1美國：材料基因組計(jì)劃2018年6月，美國總統(tǒng)奧巴馬公布啟動材料基因組計(jì)劃,旨在加快新材料從發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新、制造到商業(yè)化的步伐，使材料研究、開發(fā)方式從完全經(jīng)歷體驗(yàn)型向理論預(yù)測型進(jìn)行轉(zhuǎn)變，試圖把新材料的開發(fā)周期縮短一半。該計(jì)劃將發(fā)展一個(gè)集成計(jì)算模擬、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫為一體的材料創(chuàng)新平臺，建立材料的成分/工藝-組織構(gòu)造-性能之間的定量關(guān)系。這種定量關(guān)系是貫穿材料從發(fā)明發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)表征、制備生產(chǎn)、服役回收整個(gè)周期的主線，是材料研發(fā)的核心[4].材料基因組計(jì)劃試圖創(chuàng)造一個(gè)材料創(chuàng)新框架，以期捉住材料發(fā)展的機(jī)遇，重點(diǎn)包括下面三方面內(nèi)容：〔1〕打造材料創(chuàng)新基礎(chǔ)；〔2〕通過先進(jìn)材料實(shí)現(xiàn)國家目的；〔3〕培育下一代材料工作者。通過材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施的融合發(fā)展，將對人類福祉、清潔能源、下一代勞動力、國家安全等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，如此圖1所示?！?】2.2歐洲：冶金歐洲2018年，歐盟FP7提出了加速冶金科學(xué)計(jì)劃，致力于高性能合金的研發(fā)。AccMet采用高通量組合材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)，加快發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化更高層次性能的合金配方，將通常需要5~6年的研發(fā)時(shí)間縮短到一年以內(nèi)[5].AccMet計(jì)劃項(xiàng)目的核心理念是為未進(jìn)行開發(fā)的合金配方的合成試驗(yàn)和表征測試提供一個(gè)集成的中試設(shè)施。其創(chuàng)新之處在于使用了新開發(fā)的可自動控制的直接激光沉積技術(shù)，這樣合金元素粉末的混合物被直接、精到準(zhǔn)確地送入激光的聚焦點(diǎn)，通過激光束加熱沉積在熔池的襯底上，并最終固化構(gòu)成具有精到準(zhǔn)確化學(xué)計(jì)量的完全致密合金[6].在AccMet的基礎(chǔ)上，歐盟2020年提出了冶金歐洲〔MetallurgyEurope〕研究計(jì)劃。AccMet主要集中在合金的設(shè)計(jì)和模擬方面，升級的冶金歐洲研究計(jì)劃更注重在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。冶金歐洲確定了17個(gè)將來的材料需求和50個(gè)跨行業(yè)的冶金研究主題，課題研究期間為2020-2022年，其價(jià)值及影響牽涉清潔能源、綠色交通、衛(wèi)生保健和下一代制造等，如此圖2所示。已被確定的50個(gè)研究主題在將來幾十年對歐洲工業(yè)具有很高的戰(zhàn)略和技術(shù)價(jià)值。這些主題主要包括下面三類：〔1〕材料發(fā)現(xiàn)；〔2〕創(chuàng)新設(shè)計(jì)、金屬加工和優(yōu)化；〔3〕冶金基礎(chǔ)理論。研究內(nèi)容包括：理論研發(fā)活動、實(shí)驗(yàn)、建模、材料表征、性能測試、原型設(shè)計(jì)和工業(yè)規(guī)模化等。3美歐材料基因工程計(jì)劃組織及介入機(jī)構(gòu)兩年以來，美國材料基因組計(jì)劃從起步階段僅有4家聯(lián)邦機(jī)構(gòu)〔能源部DOE、國防部DoD、國家科學(xué)基金會NSF以及商務(wù)部下屬的國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST〕及6300萬美元投資，到如今擁有數(shù)以億元計(jì)的資金，以及全美的大學(xué)、企業(yè)、專業(yè)團(tuán)體、科研人員廣泛參加，共同致力于材料科學(xué)與創(chuàng)新領(lǐng)域的發(fā)展。AccMet屬于歐盟FP7的大型整體合作項(xiàng)目，共有31個(gè)歐洲機(jī)構(gòu)介入該計(jì)劃，由歐洲航天局〔ESA〕統(tǒng)一管理。項(xiàng)目跨度5年，開場時(shí)間為2018年6月，總預(yù)算為2195萬歐元。2020年5月，歐洲科學(xué)基金會發(fā)布MetallurgyEuropeARenaissanceProgrammefor2020-2022報(bào)告，創(chuàng)立了冶金歐洲研究計(jì)劃，時(shí)間跨度為10年〔2020-2022年〕.經(jīng)費(fèi)贊助主要來自公私兩方面，如歐盟地平線2020、歐盟成員國贊助機(jī)構(gòu)、歐盟工業(yè)界、EIRO論壇和學(xué)術(shù)界等，總經(jīng)費(fèi)約1億歐元。全歐洲約有400~500名研究人員將獲得該項(xiàng)目的贊助，同時(shí)還將與澳大利亞、巴西、加拿大、以色列、俄羅斯和南非等國家開展戰(zhàn)略合作。4我們國家相關(guān)工作大概情況從以上的扼要分析能夠看出，材料基因工程的研究遭到了包括美國、歐洲、日本等在內(nèi)的世界主要發(fā)達(dá)國家/地區(qū)的重視，各國紛紛投入巨資加速新材料的設(shè)計(jì)。我們國家在材料基因組方面也正在開展一系列的研究工作。中國科學(xué)院、中國工程院正在組織相關(guān)的咨詢調(diào)研工作。國內(nèi)不少鋼鐵企業(yè)已經(jīng)率先認(rèn)識到計(jì)算機(jī)模擬的重要性，引進(jìn)了熱力學(xué)、動力學(xué)等計(jì)算軟件及數(shù)據(jù)庫，用于高附加值優(yōu)質(zhì)鋼鐵材料的研發(fā)。國內(nèi)高等院校和科研院所在第一性原理計(jì)算、分子動力學(xué)計(jì)算、材料設(shè)計(jì)、材料表征、性能測量、計(jì)算熱力學(xué)與動力學(xué)、有限元分析模擬、多尺度集成計(jì)算及材料數(shù)據(jù)庫建設(shè)等相關(guān)領(lǐng)域開展了基礎(chǔ)性的工作。中國科學(xué)院和中國工程院于2018年底召開以材料科學(xué)系統(tǒng)工程為主題的香山科學(xué)會議，以師昌緒和徐匡迪為代表的多位院士提出中國應(yīng)盡快自主建立以高通量材料計(jì)算模擬、高通量組合材料實(shí)驗(yàn)、材料分享數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的材料基因組計(jì)劃平臺。2020年12月，由工程院領(lǐng)銜的材料科學(xué)系統(tǒng)工程發(fā)展戰(zhàn)略研究---中國版材料基因組計(jì)劃重大項(xiàng)目啟動。2020年11月11~12日，中國科學(xué)院材料基因組計(jì)劃咨詢項(xiàng)目研討會在北京召開，與會人員就材料基因組中的高通量計(jì)算與材料預(yù)測、高通量材料組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫建立與科學(xué)管理和先進(jìn)物性實(shí)驗(yàn)及表征等內(nèi)容做了專題報(bào)告。經(jīng)不完全統(tǒng)計(jì)，我們國家開展材料基因組方面工作的高校、機(jī)構(gòu)和企業(yè)有：清華大學(xué)、中國科大、南京大學(xué)、山東大學(xué)、西安交大、電子科大、上海大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、蘭州大學(xué)、北京化工大學(xué)、北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所、中國建筑材料科學(xué)研究總院、中國電子科技集團(tuán)、東方電氣集團(tuán)，以及中科院合肥物質(zhì)院、物理所、金屬所、上硅所、大連化物所、半導(dǎo)體所等單位[7].5啟示與建議我們以為，材料基因工程技術(shù)研究具有兩方面的重要作用：一是為高技術(shù)新材料研制提供理論基礎(chǔ)和優(yōu)選方案，對新型材料與新技術(shù)的發(fā)明產(chǎn)生先導(dǎo)性和前瞻性的重大影響；二是促進(jìn)材料科學(xué)與工程由定性描繪敘述跨入到定量預(yù)測階段，提高材料性能和質(zhì)量，大幅縮短從研究到應(yīng)用的周期，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)做出重要奉獻(xiàn)[8].不光美、歐加大了材料理論與計(jì)算設(shè)計(jì)方面研究的人力和財(cái)力的投入，爭奪該領(lǐng)域某個(gè)方面的領(lǐng)先地位[9],日本在玻璃、陶瓷、合金鋼等材料的數(shù)據(jù)庫、知識庫和專家系統(tǒng)方面也開展了很多工作[10].為此，謹(jǐn)提出下面建議：〔1〕制定專門政策，加速發(fā)展。美國的材料基因組計(jì)劃啟動至今已有兩年半，歐洲的相關(guān)研究也不晚，而我們國家在相關(guān)領(lǐng)域起步比擬晚，整體水平與先進(jìn)國家相比仍有很大差距。怎樣加快推進(jìn)并施行中國版的材料基因組計(jì)劃，是當(dāng)下面臨的重要問題。美國的研究工作牽涉各種材料的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)庫建設(shè)，歐洲則側(cè)重于金屬合金材料。在保證安全的前提下，出臺符合我們國家國情的、有助于推進(jìn)材料新技術(shù)發(fā)展的政策，制定發(fā)展道路圖，規(guī)劃基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)化、工程應(yīng)用的發(fā)展道路，且不要陷入反復(fù)追趕的怪圈?！?〕重視大數(shù)據(jù)管理。開展材料基因工程研究離不開海量數(shù)據(jù)的處理。2020年3月，美國公布了大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展計(jì)劃來推進(jìn)從大數(shù)據(jù)集合中獲取知識和洞見的能力，進(jìn)而使增加依靠信息計(jì)算技術(shù)與專業(yè)領(lǐng)域的集成來加速行業(yè)發(fā)展的思路變得愈加清楚明晰。我們國家在開展大數(shù)據(jù)工作的同時(shí)，數(shù)據(jù)治理需提到重要地位。宏觀層面，解決數(shù)據(jù)割據(jù)問題需頂層設(shè)計(jì)，各個(gè)單元需在數(shù)據(jù)孤島之間架起橋梁；微觀層面，需注重?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量,包括數(shù)據(jù)的正確性、完好性、一致性。除此之外，需有法律法規(guī)界定數(shù)據(jù)資產(chǎn)的歸屬和使用。北大、上海交大、人大、北航等高校已經(jīng)設(shè)立了數(shù)據(jù)科學(xué)的研究機(jī)構(gòu)和專業(yè)?！?〕突出優(yōu)勢，開展產(chǎn)學(xué)研合作。美國在執(zhí)行材料基因組計(jì)劃的經(jīng)過中，注重高校、研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)的合作。如美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心聯(lián)合麻省理工學(xué)院開發(fā)的開放平臺網(wǎng)絡(luò)工具M(jìn)aterialsProject與Intermolecular公司合作，以改善該工具的預(yù)測水平。當(dāng)前國內(nèi)先進(jìn)功能材料技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用遭到實(shí)驗(yàn)室條件的限制，還存在基礎(chǔ)設(shè)施上的技術(shù)瓶頸需