美国材料基因组计划 简介

美国材料基因组计划简介
东北大学秦高梧
2012年11月1日
一、项目背景
自上个世纪八十年代起，技术的革新和经济的发展越来越依赖新材料的进步。

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用的Li电池，从上世纪70年代中期实验室原型到90年代晚期应用，前后花了近20年时间，但是至今还没能应用到电动汽车上，很明显，新材料的研发步伐严重滞后于产品的设计。

当前，面对竞争激励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从发现到应用的研发周期，以期来解决21世纪的巨大挑战。

然而，当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“尝试法”实验。

其实，有些实验是可以借助现有高效、准确的计算工具，然而，这种计算模拟的准确性依然很弱。

制约材料研发周期（图1）的另一因素是从发现、发展、性能优化、系统设计与集成、产品论证及推广过程中涉及的研究团队间彼此独立，缺少合作和相互数据的共享以及材料设计的技术有待大幅度提升。

图1 新材料研发周期示意图
二、项目的目标
最近在工程领域出现的集成材料计算与计算机技术相结合范例表明，可以把现有的材料研发周期20~30年缩短到2~3年。

《材料基因组计划》拟通过新材料研制周期内各个阶段的团队相互协作，加强“官产学研用”相结合，注重实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享（利益通过学习标识以解决知识产权问题），目标是把新材料研发周期减半，成本降低到现有的几分之一，以期加速美国在清洁能源、国家安全、人类健康与福祉以及下一代劳动力培养等方面的进步，加强美国的国际竞争力。

《材料基因组计划》项目在2012年已投入1亿美元。

整个目标和具体内容如图2所示。

图2 美国《材料基因组计划》的整个目标和具体内容
三、主要内容
3.1 材料计算手段
目前，从电子到宏观层面都有各自的材料计算软件，但是还不能做到高效跨尺度计算以达到材料性能预测的目的；各个软件之间彼此不兼容；由于知识产权问题，彼此不能共享计算工具的源代码。

在这方面未来的工作主要集中在以下几个方面：
（1）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；
（2）建立开放的平台实现所有源代码共享；
（3）开发的软件界面友好，以便进一步拓展到更多的用户团体。

3.2 实验手段
（1）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；
（2）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；
（3）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。

3.3 数字化数据库建立
（1）构建不同材料的基础数据库、数据的标准化以及它们的共享系统；
（2）拓展云计算技术在材料研发中的作用，包括远程数据存储与共享；
（3）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、研究重点
4.1 面向国家安全的新材料
（1）轻质防护材料
（2）电子材料
（3）能源存储
（4）生物替换材料
（5）密切注重与能源及电子行业相关的矿物（Pt，Te，RE等）
（6）积极开展能够替代稀少元素的相关新材料研发
4.2 面向人类健康与福祉新材料
（1）生物相容性材料（假肢，植入材料与器件，人工器官等）；
（2）防护人体受伤的防护材料
例如，关于防护脑损伤材料，在伊拉克和阿富汗战争中有36万人游创伤性脑损伤，普通民众平时的运动及车祸等美国每年达170万人，相应的医疗费用达600亿美元/年。

4.3 面向清洁能源新材料
（1）生物质能源转化用催化剂
（2）人工光合作用材料
（3）光伏电池材料
（4）能源存储材料
（5）汽车轻量化材料（10%重量下降可以节省能耗6-8%的能耗）
（6）混合动力、电动汽车及氢能汽车
4.4下一代劳动力培养
（1）改变单兵作战，强化“官产学研用”之间的协作与共享机制
（2）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（3）数字化数据的共享与计算平台的开放
（4）加强在高校的本科生和研究生中的交叉学科课程设置
（5）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、具体分工
计算材料与设计化学计划（美国能源部，美国国家自然科学基金委员会）1）高质量软件工具包，新算法、与已有工具包的兼容性
2）发展新的标征技术改善算法与软件
先进材料设计计划（美国标准化科学与技术研究所）
1）建立标准的基础设施、参考数据库和卓越计算中心
2）可靠的计算机建模与仿真材料的优化发展
3）密切协调与DOE和NSF的软件和设计的实验工具
能源效率和可再生能源下一代材料计划（美国能源部）
1）利用计算工具，以加速能源技术相关新材料的制造和表征。

2）制造过程中用新材料，具备新性能的复合材料系统和更低的制造成本，用于预测新材料空间和时间变化的建模和仿真工具
国家安全与防御能力提升的基础/应用计算材料研究(美国国防部)
下一代劳动力（美国国家自然科学基金委员会，美国国防部）
协调“官产学研用”之间的合作，人员的培训与教育。