美歐材料基因工程計劃研究現(xiàn)狀及啟示,基因工程論文

美歐材料基因工程計劃研究現(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、半經(jīng)歷體驗為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)炒菜式實驗來探索，并給予確認的研究形式。這種形式的效率很低，已經(jīng)難以適應(yīng)當下世界各國經(jīng)濟快速發(fā)展的需求，而且需消耗損費大量的資源、能源和人力，非常不經(jīng)濟。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、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展、計算物理學(xué)科和方式方法體系的建立、計算機科學(xué)和技術(shù)的飛速進步等，使得對材料的構(gòu)造進行計算預(yù)測及其性能模擬計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)都非常注重材料計算與模擬的發(fā)展，組織施行了一系列相關(guān)的研究計劃和項目。始于2001年的美國能源部高級計算科學(xué)發(fā)現(xiàn)項目是開發(fā)新一代科學(xué)模擬計算機的綜合計劃[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行了研究，并推薦將計算材料設(shè)計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概念計劃〔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)先進仿真軟件的開發(fā)；2018年，開場間隙控制材料設(shè)計和利用技術(shù)同年，文部科學(xué)省和經(jīng)濟產(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)奧巴馬公布了一項超過5億美元的先進制造業(yè)伙伴關(guān)系計劃，華而不實一項舉措就是施行材料基因組計劃〔MaterialsGenomeInitiative,MGI〕;幾乎是同時，歐洲也啟動了加速冶金〔AcceleratedMetallurgy,AccMet〕計劃。這兩項大型的研究計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險。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)，并通過搜集諸多實驗團隊以及企業(yè)有關(guān)新材料的數(shù)據(jù)、代碼、計算工具等，構(gòu)建專門的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)分享，致力于攻克新材料從實驗室到工廠這個放大經(jīng)過中的問；歐洲則以為，在過去一萬年，對人類的技術(shù)進步，相比其他材料，金屬和合金奉獻最大，加之歐盟歷來重視防備原材料的風險，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、歐洲的這兩項計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劃主要研究內(nèi)容2.1美國：材料基因組計劃2018年6月，美國總統(tǒng)奧巴馬公布啟動材料基因組計劃,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)歷體驗型向理論預(yù)測型進行轉(zhuǎn)變，試圖把新材料的開發(fā)周期縮短一半。該計劃將發(fā)展一個集成計算模擬、實驗和數(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)計表征、制備生產(chǎn)、服役回收整個周期的主線，是材料研發(fā)的核心[4].材料基因組計劃試圖創(chuàng)造一個材料創(chuàng)新框架，以期捉住材料發(fā)展的機遇，重點包括下面三方面內(nèi)容：〔1〕打造材料創(chuàng)新基礎(chǔ)；〔2〕通過先進材料實現(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)計劃，致力于高性能合金的研發(fā)。AccMet采用高通量組合材料實驗技術(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)時間縮短到一年以內(nèi)[5].AccMet計劃項目的核心理念是為未進行開發(fā)的合金配方的合成試驗和表征測試提供一個集成的中試設(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、精到準確地送入激光的聚焦點，通過激光束加熱沉積在熔池的襯底上，并最終固化構(gòu)成具有精到準確化學(xué)計量的完全致密合金[6].在AccMet的基礎(chǔ)上，歐盟2020年提出了冶金歐洲〔MetallurgyEurope〕研究計劃。AccMet主要集中在合金的設(shè)計和模擬方面，升級的冶金歐洲研究計劃更注重在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。冶金歐洲確定了17個將來的材料需求和50個跨行業(yè)的冶金研究主題，課題研究期間為2020-2022年，其價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、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、實驗、建模、材料表征、性能測試、原型設(shè)計和工業(yè)規(guī)?；取?美歐材料基因工程計劃組織及介入機構(gòu)兩年以來，美國材料基因組計劃從起步階段僅有4家聯(lián)邦機構(gòu)〔能源部DOE、國防部DoD、國家科學(xué)基金會NSF以及商務(wù)部下屬的國家標準與技術(shù)研究院NIST〕及6300萬美元投資，到如今擁有數(shù)以億元計的資金，以及全美的大學(xué)、企業(yè)、專業(yè)團體、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的大型整體合作項目，共有31個歐洲機構(gòu)介入該計劃，由歐洲航天局〔ESA〕統(tǒng)一管理。項目跨度5年，開場時間為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報告，創(chuàng)立了冶金歐洲研究計劃，時間跨度為10年〔2020-2022年〕.經(jīng)費贊助主要來自公私兩方面，如歐盟地平線2020、歐盟成員國贊助機構(gòu)、歐盟工業(yè)界、EIRO論壇和學(xué)術(shù)界等，總經(jīng)費約1億歐元。全歐洲約有400~500名研究人員將獲得該項目的贊助，同時還將與澳大利亞、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。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)率先認識到計算機模擬的重要性，引進了熱力學(xué)、動力學(xué)等計算軟件及數(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算、分子動力學(xué)計算、材料設(shè)計、材料表征、性能測量、計算熱力學(xué)與動力學(xué)、有限元分析模擬、多尺度集成計算及材料數(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算模擬、高通量組合材料實驗、材料分享數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的材料基因組計劃平臺。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劃重大項目啟動。2020年11月11~12日，中國科學(xué)院材料基因組計劃咨詢項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算與材料預(yù)測、高通量材料組合設(shè)計實驗、數(shù)據(jù)庫建立與科學(xué)管理和先進物性實驗及表征等內(nèi)容做了專題報告。經(jīng)不完全統(tǒng)計，我們國家開展材料基因組方面工作的高校、機構(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、東方電氣集團，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)濟發(fā)展和國防建設(shè)做出重要奉獻[8].不光美、歐加大了材料理論與計算設(shè)計方面研究的人力和財力的投入，爭奪該領(lǐng)域某個方面的領(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，整體水平與先進國家相比仍有很大差距。怎樣加快推進并施行中國版的材料基因組計劃，是當下面臨的重要問題。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)展計劃來推進從大數(shù)據(jù)集合中獲取知識和洞見的能力，進而使增加依靠信息計算技術(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，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，各個單元需在數(shù)據(jù)孤島之間架起橋梁；微觀層面，需注重數(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)行材料基因組計劃的經(jīng)過中，注重高校、研究機構(gòu)與企業(yè)的合作。如美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室國家能源研究科學(xué)計算中心聯(lián)合麻省理工學(xué)院開發(fā)的開放平臺網(wǎng)絡(luò)工具MaterialsProject與Intermolecular公司合作，以改善該工具的預(yù)測水平。當前國內(nèi)先進功能材料技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用遭到實驗室條件的限制，還存在基礎(chǔ)設(shè)施上的技術(shù)瓶頸需