材料基因組計劃是何方神圣？它會變革材料研發嗎？

人類有基因組計劃，材料界也有一個材料基因組計劃。材料基因組計劃是何方神圣？且聽材料牛（cailiaoniu.com）道來。

2011年6月24日美國總統奧巴馬在卡耐基?梅隆大學作的以 “先進制造業伙伴關系”為主題的演講中提出了“材料基因組計劃”(The Materials Genome Initiative, MGI)。一年之后，白宮科技政策辦公室和美國國家標準與技術研究院(NIST)在白宮開了一次以 “促成一個全國性的運動”為目標的會議，要求廣泛參與和大力促成。此后材料基因組計劃作為一個國家性的“運 動”正在美國積極地展開。據稱是美國開國以來繼曼哈頓計劃、阿波羅計劃、人類基因組計劃之后的第四大重大科研計劃。隨后，材料基因組的概念得到了全球材料科學家的響應。

為什么美國要推出這個材料基因組計劃？這就要說到傳統材料科學研究存在的問題了。

傳統材料科學研究主要依賴“試錯” 實驗方法，按照“提出假設-實驗驗證”的方式順序 迭代，從而不斷逼近目標材料。而且造成材料研發與應用的割裂。一種新材料從研發到應用需要10-20年，已無法滿足工業快速發展對新材料的需求，急需通過變革研究方法推進材料科學的加速發展。因此，旨在縮短研發周期和研發成本的材料基因組計劃，一經推出就得到廣泛響應。

那么，材料基因組計劃用什么手段來縮短研發周期和研發成本？當前的材料研究的思路是對成分、工藝的調整，獲得具有理想微結構與性能匹配的目標材料。 材料基因組計劃研發思路是建立成分、工藝、微結構、性能之間的內在聯系，然后根據材料對性能的需求，設計符合要求的微結構；根據這種聯系，設計并優化材料成分與工藝。

為何稱之為材料基因組計劃？難道材料內部也有跟人類一樣的類似于基因的東西？材料中當然沒有基因。但是材料基因組計劃于人類基因組計劃還是很相似的。人類基因中的DNA和RNA的排列決定人體的主要性能)；而材料中原子的性質和排列包括晶體結構和缺陷決定了材料的內在性能。

“人類基因組”技術是通過高通量測序裝置對生物基因芯片上的幾十萬到幾百萬條DNA分子進行并行快速序列測定，并將結果儲存在生物基因大數據庫中，通過進一步的數據分析和計算解析生命密碼；與此類似，“材料基因組技術”也是通過高通量實驗裝置對組合材料芯片上的10—10⁶ 個樣品單元進行高通量表征，并將所獲得的材料性能數據儲存在數據庫中，通過數據挖掘等技術得到材料“成分-結構-性能”的構效映射關系，最終改變傳統材料研究方法，加速材料研發進程。

那么，材料基因組計劃的內涵都有哪些？白宮科技政策辦公室在2011年6月24日發布的相應的白皮書《具有全球競爭力的材料基因組計劃》中闡述了材料創新基礎設施的三個平臺： 計算工具平臺、實驗工具平臺和數字化數據(數據庫及信息學)平臺。也就是說材料基因組計劃由三大塊組成：計算工具、實驗手段和數字化數據。

通過高通量的材料實驗，為材料模擬計算提供大量基礎數據和實驗驗證，充實材料數據庫，也可以針對具體應用需求，快速篩選目標材料。材料計算模擬是實現“材料按需設計”的基礎，可以幫助縮小高通量材料實驗范圍，提供實驗理論依據；材料數據庫可以為材料計算模擬提供計算基礎數據，為高通量材料實驗提供實驗設計的依據，同時計算和實驗所得的材料數據亦可以豐富材料數據庫的建設。

參考文獻

劉俊聰, 王丹勇, 李樹虎,等. 材料基因組計劃及其實施進展研究[J]. 情報雜志, 2015(1):61-66.

向勇, 閆宗楷, 朱焱麟,等. 材料基因組技術前沿進展[J]. 電子科技大學學報, 2016, 45(4):634-649.

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