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材料基因组计划,是何方神圣?

人类有基因组计划,材料界也有一个材料基因组计划。材料基因组计划是何方神圣?

2011年6月24日美国总统奥巴马在卡耐基?梅隆大学作的以 “先进制造业伙伴关系”为主题的演讲中提出了“材料基因组计划”(The Materials Genome Initiative, MGI)。一年之后,白宫科技政策办公室和美国国家标准与技术研究院(NIST)在白宫开了一次以 “促成一个全国性的运动”为目标的会议,要求广泛参与和大力促成。此后材料基因组计划作为一个国家性的“运 动”正在美国积极地展开。据称是美国开国以来继曼哈顿计划聊城资讯网、阿波罗计划、人类基因组计划之后的第四大重大科研计划。随后,材料基因组的概念得到了全球材料科学家的响应。

为什么美国要推出这个材料基因组计划?这就要说到传统材料科学研究存在的问题了。

传统材料科学研究主要依赖“试错” 实验方法,按照“提出假设-实验验证”的方式顺序 迭代,从而不断逼近目标材料。而且造成材料研发与应用的割裂。一种新材料从研发到应用需要10-20年,已无法满足工业快速发展对新材料的需求,急需通过变革研究方法推进材料科学的加速发展。因此,旨在缩短研发周期和研发成本的材料基因组计划,一经推出就得到广泛响应。

那么,材料基因组计划用什么手段来缩短研发周期和研发成本?当前的材料研究的思路是对成分、工艺的调整,获得具有理想微结构与性能匹配的目标材料。 材料基因组计划研发思路是建立成分、工艺、微结构、性能之间的内在联系,然后根据材料对性能的需求,设计符合要求的微结构;根据这种联系,设计并优化材料成分与工艺。

为何称之为材料基因组计划?难道材料内部也有跟人类一样的类似于基因的东西?材料中当然没有基因。但是材料基因组计划于人类基因组计嘉兴资讯网划还是很相似的。人类基因中的DNA和RNA的排列决定人体的主要性能);而材料中原子的性质和排列包括晶体海宁资讯网结构和缺陷决定了材料的内在性能。

“人类基因组”技术是通过高通量测序装置对生物基因芯片上的几十万到几百万条DNA分子进行并行快速序列测定,并将结果储存在生物基因大数据库中,通过进一步的数据分析和计算解析生命密码;与此类似,“材料基因组技术”也是通过高通量实验装置对组合材料芯片上的10-106 个样品单元进行高通量表征,并将所获得的材料性能数据储存在数据库中,通过数据挖掘等技术得到材料“成分-结构-性能”的构效映射关系,最终改变传统材料研究方法,加速材料研发进程。

那么,材料基因组计划的内涵都有哪些?白宫科技政策办公室在2011年6月24日发布的相应的白皮书《具有全球竞争力的材料基因组计划》中阐述了材料创新基础设施的三个平台: 计算工具平台、实验工具平台和数字化数据(数据库及信息学)平台。也就是说材料基因组计划由三大块组成:计算工具、实验手段和数字化数据。(如下图所示)

通过高通量的材料实验,为材料模拟计算提供大量基础数据和实验验证,充实材料数据库,也可以针对具体应用需求,快速筛选目标材料。材料计算模拟是实现“材料按需设计”的基础,可以帮助缩小高通量材料实验范围,提供实验理论依据;材料数据库可以为材料计算模拟提供计算基础数据,为高通量材料实验提供实验设计的依据,同时计算和实验所得的材料数据亦可以丰富材料数据库的建设。

参考文献

刘俊聪, 王丹勇, 李树虎,等. 材料基因组计划及其实施进展研究[J]. 情湛江资讯网报杂志, 2015(1):61-66.

向勇, 闫宗楷, 朱焱麟,等. 材料基因组技术前沿进展[J]. 电子科技大学学报, 2016, 45(4):634-649.

来源:材料人

编辑:Lixy

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