很多时候，人类科技发展的脚步，往往囿于材料的性能。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。新材料的研发步伐严重滞后于产品的设计。如今，材料研究最前沿领域的重要方法论-- 材料基因组工程，正引领着越来越多研究人员，以更短的时间、更低的成本， 致力于新材料的研发。

　那么，什么是材料基因组？它如何促使目前对新材料的研究开发？材料基因组研究渐渐成为我国材料领域发展面临的重大历史机遇和严峻挑战…… 《腐蚀防护之友》记者， 随行国家材料环境腐蚀平台主任、北京科技大学李晓刚教授，于近期拜访了中国工程院王海舟院士。王院士是我国冶金分析表征领域多项新技术及表征方法的倡导者及发明人， 对于我国材料基因组工程的发展有着深刻的见解及观点，本刊撷取王院士对我国材料基因组计划发展的精彩建议，分享给关注材料基因工程发展的业界人士，希望可以为推动材料基因组工程的发展尽己之力。

　　中国工程科技论坛大会特邀报告现场掠影
 

　   材料基因组三大平台系统相互交联

　王院士如数家珍，他说：“材料基因组计划，是从应用需求出发，倒推符合相应结构功能的材料，这样一种颠覆性的改变，意味着需要对各种材料有足够多的认识和积累，包括结构、性能、工艺优化等等。”

　据王院士介绍，通过建立基本单元与高通量表征技术的革命性方式，将大大缩短新材料研发应用周期，数据预测计算模拟平台、数据库平台、表征实验平台三大平台系统相互交联、融合，最为重要。其中， 表征实验平台（高通量合成与表征）是材料基因组计划的实验基础，是新材料基本单元预设计的筛查、合成和验证的重要试验保障，是新材料基本单元设计调整优化的重要试验依据。

　基本单元指能直接反映材料性能差异的最小物质单元，材料基因组可以反映材料某种特性的“基本单元”及其“组装” 机理。而表征组装过程中基本单元的组成、取向、变异、掺杂统计分布等演变规律， 将为新材料的工艺路线提供重要参考。

　王院士向我们介绍了材料基因组中高通量实验表征的思路，一是指基本单元经过高通量合成、表征与筛查，经过基本单元试样模拟合成和基本单元高通量表征筛查；另一方面指基本单元组装过程及介观尺寸新材料高通量表征功能，针对不同新材料具备基本单元组装试验模拟功能，组装过程原位表征功能，再组装介观材料大尺度统计分布高通量表征功能；在这两大基础上，最终实现新材料组成- 组织结构- 性能相关性高通量表征功能。

　王院士强调这三大平台要融合，材料基因组单独依靠某一学科是落不到实处的， 三者结合才能发挥材料基因组的优势，真正形成研发短流程，才能缩短材料研究的过程。即能够同时大量合成、表征新型材料， 例如研究者对某种材料进行研究，可以拿出几百种材料方案，之所以能在很短时间内找到最优化的方案，材料基因组方法至为关键。

　当下是大数据时代，有了数据的支持， 研究者可以更快对各种材料的性能、参数作了解，从数据库中提取过去的材料之间的相关性，再根据材料科学的本身原理进行计算，结合起来提出一些可能满足需求的特种性能。结合大数据方法，材料基因组可以同时对成千上万种新材料进行预测、筛选、合成和表征。
 

　
　陪同外宾参观材料表征实验室及惰气脉冲熔融-飞行时间质谱检测仪
 

　已有材料的研发新设计同样重要

　在人们的目光都投向新材料的发现时， 王院士思考得更多。他提出，将现有材料改性、工艺的优化，同样适用材料基因组计划，是很重要的。例如美国GH169 高合金材料，在研究的过程中，它的牌号没变， 但研究者不断的改变其性能，并对材料进行调整优化，使得材料发生很大的变化， 形成全新的材料，保留材料品质的同时， 开发出新特性。从这一面，说明现有材料改性和工艺的优化都属于材料基因组很重要的组成部分。
 

指导博士生进行原位统计分布分析表征研究
 

　这给研究者一个全新视角，现有材料都可以用材料基因组的方法进行优化改造。其中的依据就是任何材料的本质是非均匀性的，它的性能制约因素是非均匀性的制约。如点蚀， 点蚀部分的脆性，代表局部问题，说明材料本身组成结构的非均匀性制约了材料， 那意味着，如果将现有的材料或者某个研究阶段的材料，把所有的点对点计算，做出统计的话，将发现正态和非正态的分布。

　从成分来说，从零值到百分百都有， 任何一个点的成分都不一样的，任何点的组成结构也都不一样，那我们可以进行一个点对点的解析。如果能做到把每一个位置点，变成介观尺度，把每个位置的组成， 结构做出来，性能也可以做出来，你就会发现一些位置是如何多样性地组成各种结构，有非常好的力学性能或其它性能。那这意味着，我们通过现有的材料找到性能最佳的基本单元。

　如果能建立这种方法的话，大量现有材料通过材料基因组的方法就可以进行改造，发现材料的最佳的结构，这也意味着我们国家的工艺已经优化。非常实用，对于国民经济发展非常重要，即材料基因组对材料的工艺优化。王院士说，现在美国也有很多的方法，就像芯片组成配比，可以有3D 打印，喷射冶金，粉末压片组合， 也可以自由组合。但芯片有个突出的问题， 芯片采取的工艺和后面的工艺是脱节的， 不论是3D 打印，喷射冶金，这个工艺和生产工艺是不一样的。这是因为我们从实际样品提取的是现在的工艺，如高温合金是定向凝固取样，做高温合金里面的成分， 这是原始状态，即现有的工艺做出来的状态，把每个局部的性能都能做出来的话， 发现某个区域的性能非常好，进行工艺改进，最后形成新的材料。

　【后记】

　愉悦的谈话已经结束，院士的话语依然在耳边萦绕，我们通过这种难得的机会， 零距离了解我们国家科学家们的思想，众志成城，实现“材料科学系统工程发展战略研究-中国版材料基因组计划”的科学梦，我们知道，这样的一件事，需要许许多多像王海舟院士一样的科学家们共同推进，集齐一批批优秀青年学者和研究人才去实现它。
 

　向为中华发展而奋斗的所有人，致敬！
　
     衍生阅读：     

　什么是材料基因组工程？

　“材料基因组工程”是通过高通量的第一性原理计算，结合已知的、可靠的实验数据与表征技术平台、数据预测计算模拟平台、数据库系统的基础上，用理论和计算模拟去尝试发现新的未知材料，并建立其化学组分、晶体结构和各种物性的数据库，通过数据挖掘探寻材料结构和性能之间的关系模式，研发并形成创新材料商用产品。材料基因组工程涉及材料知识库、计算和设计、可控制备、精确表征和性能服役等环节研究人员的交叉、融合及协同创新。

　材料基因组如何应运而生？

　传统的材料研制方法主要为试错法， 即利用现有关于材料的理论与知识经验， 通过调整研究材料配比，进行表征测试和检验，最终找到满足需求的材料。这样的方法导致材料研发周期过长，远不能满足人们对新材料的需求，“能否有一个更加科学的方法替代试错法？能不能在现有数据库平台的基础上，通过数学计算、材料的原理来预测要达到某种材料所需要的组成，然后再通过实验进行合成，并检测是否符合要求？”正是基于这样的考量，“材料基因组计划”应运而生。

　材料基因组计划的意义？

　“材料基因组计划”试图揭示物质构成、不同元素排列与材料功能之间关系， 进而实现有目的设计新材料的科学工程， 也是当今先进材料及高端制造业领域的一大举措。材料基因组计划可以将新材料的研发速度“至少翻一番”，实现材料领域发展模式的转变，把新材料研发和应用速度从目前的10 ～ 20 年缩短为5 ～ 10 年。它能够揭示物质构成、不同元素排列与材料功能之间的关系，进而实现有目的地设计新材料。


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