材料基因组工程

对“材料基因组工程”的认识及看法

学号：22011216 姓名：胡方方

“材料基因组工程”这是一个既熟悉而又陌生的名词，熟悉的是“材料”和“基因组工程”，然而两者的组合就是我们这些外行人所不能想象得到的，这对我们来说是一个新的领域，因而我对它产生了些许的好奇。带着好奇的心理，我聆听了邓伟侨教授的一场关于“材料基因组工程”的课外研学讲座。

要了解“材料基因组工程”，对它有一个清晰而又正确的认识。首先，要弄懂什么是“材料”，什么是“基因组工程”；再来进一步的认识什么是“材料基因组工程”，为什么会出现以及一些现状。

“材料”是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。“基因组工程”就是测出人类基因组DNA的30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因，找出它们在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。物质的基本组成单元就是原子，而将材料与基因组工程联系在一起，不难得出这是将材料与人类做一个类比，基因之于人的性状如同原子之于材料。我们知道，原子结构决定了物质的性质，性质决定了物质的用途，反之，那么想要得到有着特定功能的物质材料，我们就能够得到组成物质的原子及其原子结构。材料显微组织及其中的原子排列决定了材料的性能，就像人体细胞里的基因排列决定了人体机能一样。材料基因工程就是寻找和建立材料从原子排列到相的形成到显微组织的形成到材料性能与使用寿命之间的相互关系，把成分-结构-性能关系的数据库与计算材料设计结合起来，可以大大加快材料研发速度、降低材料研发的成本、提高材料设计的成功率。

人类基因工程计划的实施和取得的进展和成果，以及现实生活中许许多多的的例子给了科学家和研究人员很大的启发。

一、“材料基因组工程”是在何种的时代背景下被提出的。

技术的革新和经济的发展越来越依赖于新材料的进步，就像身体是革命的本钱，良好的材料则是技术革新和经济发展的载体、基石，没有优良的材料作支撑，一切都只是空谈，都是虚无缥缈的，先进的科学技术也就不能够被充分的表达。目前，从新材料的最初发现到最终工业化应用一般需要10~20年的时间。例如，作为目前移动电子设备所使用的Li电池，从上世纪70年代中期的实验室原型到90年代晚期的应用，前后花了近20年的时间，但是至今还没能够应用到电动汽车上，很明显新材料的研发步伐严重滞后于产品的设计，也就是说先进的科学技术因为材料的落后而不能够付诸现实。而这一类事情带来的结果不仅仅局限在材料方面，他带来了跟多的能源的浪费以及环境的污染等等。当前，面临竞争激烈的制造业和快速的经济发展，材料科学家和工程师必须缩短新材料的发现到付诸应用的研发周期，只有这样才能解决在21世纪这个科学技术与经济呈爆炸式发展的时代对新型材料的大量需求的巨大挑战。然而，目前的新材料研发主要依据研究者的科学直觉和大量重复的尝试实验。其实很大一部分的实验是可以依靠高效、准确的计算工具模拟来实现就可以得到结果的，但是现实中我们所拥有的计算准确性不够，而浪费大量的时间和原料。另一方面，新材料从发现、发展、性能优化、系统设计和集成、产品论证及推广过程中所涉及的研究团队间彼此独立、缺少合作和相互间数据、技术的共享，使得研发周期再一次的延长。

二、“材料基因组工程”的主要目的是什么呢？

这是一次技术的革命，科技的进步不是巧合，是人类探索未知的必然结果，而“材料基因组工程”的提出正是这一材料革命的雏形，它的主要目的是试图把新材料的开发周期缩短一半，打造全新环形开发流程，推动材料科学家重视制造环节，并通过搜集众多实验团队以及企业有关新材料的数据，代码，计算工具等，构建专门的数据库实现共享，致力于攻克新材料从实验室到工厂这个放大过程中的问题。

三、“材料基因组工程”的内容是什么？是打算如何来实施完成的？

“材料基因组工程”与“人类基因组工程”类似，通过高通量的第一性原理计算，结合已知的可靠实验数据，用理论模拟去尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其化学组分、晶体和各种物性的数据库，并利用信息学、统计学方法，通过数据挖掘探寻材料结构和性能之间的关系模式，为材料设计师提供更多的信息。材料基因工程主要包括三大系统：材料超级计算系统、材料性能扫描测试技术系统和材料设计性能数据库与信息平台系统。此三大系统是新材料设计的三大支柱，将为我国材料的高效应用和新材料的快速研发提供可靠的技术支持、标准化的基础数据和技术原型。材料基因工程将开创新材料研发的新局面。

实施主要有以下几个方面：

材料计算。建立准确的材料性能预测模型，并依据理论和经验数据修正模型预测；建立开放的平台实现所有源代码共享；开发软件界面友好，以便进一步拓展到更多的用户团体。

材料实验。实验为弥补理论计算，模型的不足和构架不同尺度计算间的联系；补充非常基础的材料物理，化学和材料学的数据，涉及材料的电子，力学，光学等性能数据，构建材料性能相关的成分，组织和工艺间内在联系，并建立庞大的数据库；利用实验数据修正计算模型，加速新材料的筛选及高效确定。

材料数字化数据库的建立。构建不同的材料的基础数据库、数据的标准化以及它们的共享系统；拓展云计算技术在材料研发中的作用，包括远程数据存储于共享；通过数字化数据库建设，联系科学家与工程师共同高效开发新材料。

四、“材料基因组工程”研究的重点有哪些？

面向工业发展的新材料。轻质防护材料；电子材料；能源存储；生物替换材料；密切注重于能源及电子行业相关的矿物；积极开展能够替代稀少元素的相关新材料研发。

面向人类健康的新材料。生物相容性材料（假肢，植入材料与器件，人工器官等）；防护人体受伤的防护材料。

面向清洁能源的新材料。生物质能源转化催化剂；人工光合作用材料；光伏电池材料；能源存储材料；汽车轻量化材料；混合动力、电动汽车及氢能汽车。

对下一代研究人员的培养。改变单兵作战，强化“官产学研用”之间的协作与共享机制；在材料开发领域，强化实验学家、理论学家、计算机人才和工程师之间的密切合作；数字化数据的共享与计算平台的开放；加强在高校的本科生和研究生中的交叉学科课程设置；企业员工针对材料设计与模拟软件和相关程序的再教育。

五、“材料基因组工程”的提出已经有两年的时间，在国内外有了怎样的行动与进展？

我国在这一方面的行动与进展。

2012年，中南大学“金属材料基因工程”创新引智基地建设项目获得批准。

2012年12月21日，《材料科学系统工程发展战略研究—中国版材料基因组计划》重大项目启动会在中国工程院召开。

2013年10月28日，材料基因组工程暨多尺度材料分子模拟设计学术研讨会在上海举行。

国外这一方面的行动与进展。