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新材料是發(fā)展高端制造業(yè)的物質(zhì)基礎，是高新技術發(fā)展的先導。為了加速新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，重振美國高端制造業(yè)，2011 年6 月，時任美國總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動了“面向全球競爭力的材料基因組計劃”(Materials Genome Initiative for Global Competitiveness，簡稱“材料基因組計劃”)，重點建設材料高通量計算、高通量實驗和材料大數(shù)據(jù)等基礎設施和平臺，形成新材料創(chuàng)新發(fā)展的基礎條件和能力。

2014年美國將“材料基因組計劃”提升為“國家戰(zhàn)略”，深入詮釋了“材料基因組計劃”的內(nèi)涵，明確其核心內(nèi)容和目標是：通過實驗-計算-理論的集成創(chuàng)新，加速材料大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，培養(yǎng)具有材料基因組新思想和新理念的材料工作者，變革材料研發(fā)文化，加速美國新材料和高端制造業(yè)的發(fā)展。作為實現(xiàn)材料基因組計劃的重要舉措，美國建設了45 個材料基因組創(chuàng)新平臺，每個平臺政府投資0.7~1.2 億美元，建設周期5~7 年。

2018 年美國RTI 國際咨詢公司和華盛頓大學經(jīng)濟政策研究中心對建設材料基因組基礎設施的經(jīng)濟性進行了分析，通過對120 位企業(yè)家的咨詢和調(diào)研得出結(jié)論：材料基因組是集基礎研究、共性技術、工業(yè)放大技術和產(chǎn)品集成技術為一體的綜合性技術，是對材料發(fā)現(xiàn)、開發(fā)、生產(chǎn)、應用等階段的全過程加速，是打破新材料研究與市場化之間瓶頸、加速新材料產(chǎn)業(yè)化的有效手段；材料基因組關鍵技術和基礎設施的應用，可以降低新材料研發(fā)風險1/2 以上，縮短新材料從發(fā)現(xiàn)到工程化應用時間1/3 以上，降低研發(fā)成本1/3 以上，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益約為1230~2700 億美元/年。2019 年美國發(fā)布了關于材料基因組人才培養(yǎng)的報告，定義了材料基因組專業(yè)人才應該具備數(shù)據(jù)處理、計算建模、計算機仿真、可視化和軟件管理的技能，具有材料多層次、跨尺度集成計算的能力，掌握高通量和自動化實驗的技能。

美國宣布“材料基因組計劃”后，歐盟、日本和印度等國家迅速啟動了類似的研究計劃，爭取在新一輪材料革命性發(fā)展中占有先機。中國工程院和科學院開展了廣泛的咨詢和深入的調(diào)研，科技部于2015年啟動了“材料基因工程關鍵技術與支撐平臺”重點專項(簡稱“材料基因工程重點專項”)，開展材料基因工程基礎理論、關鍵技術與裝備、驗證性示范應用的研究，布局了示范性創(chuàng)新平臺的建設。在材料科技工作者的努力下，中國材料基因工程研究取得了令人矚目的進展。

北京科技大學謝建新院士課題組院士在材料基因工程的概念與內(nèi)涵，材料基因工程重點專項，新材料發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化與性能提升，關鍵技術與裝備研發(fā)，帶動地方創(chuàng)新平臺建設和專項研究，引領學科發(fā)展，推動創(chuàng)新人才培養(yǎng)，材料人工智能技術的研發(fā)與應用，材料基因工程關鍵技術工程化應用，未來發(fā)展方向建議等方面進行了綜述。這些研究進展表明材料基因工程新理念、新方法和新技術的推廣應用，可以大幅度提升創(chuàng)新能力和水平，顯著加速新材料的研發(fā)和應用。相關綜述以題“中國材料基因工程研究進展”發(fā)表在國內(nèi)頂級材料期刊金屬學報上。

論文鏈接：DOI 10.11900/0412.1961.2020.00199

材料基因工程是材料科技領域的顛覆性前沿技術，是材料科學與工程學科的重要發(fā)展方向；其核心任務是借鑒人類基因組計劃的研究理念和方法，加速新材料的研發(fā)和應用；通過構建材料高通量計算設計平臺、高通量實驗平臺和數(shù)據(jù)庫平臺等三大平臺，實現(xiàn)材料研發(fā)“理性設計-高效實驗-大數(shù)據(jù)技術”的深度融合和全過程協(xié)同創(chuàng)新；通過突破高效計算方法、高通量實驗方法、材料大數(shù)據(jù)技術等關鍵技術，實現(xiàn)新材料研發(fā)周期縮短一半、研發(fā)成本降低一半的目標。

圖1 材料基因工程變革研發(fā)模式

圖2 材料基因工程方法發(fā)現(xiàn)新型高溫塊體金屬玻璃Ir-Ni-Ta-(B)

圖3 激光分子束外延-掃描隧道顯微鏡(STM)高通量制備與表征系統(tǒng)[

圖4 材料基因工程理念數(shù)據(jù)庫技術[

圖5 機器學習方法發(fā)現(xiàn)新型高強高導銅合金

材料基因工程研究有力地推動了我國材料科技領域前沿共性關鍵技術、前沿新材料的研究和發(fā)展，推動了材料基因工程新理念和新方法的形成和發(fā)展，促進了材料科技前沿技術發(fā)展。尤其是材料基因工程國家重點專項的實施，產(chǎn)出了一批原創(chuàng)性的基礎理論和關鍵技術，研制出了一批具有自主知識產(chǎn)權的裝備，一批研究成果獲得工程化應用，為提升我國在材料科技前沿領域的研究水平和地位，打下了堅實的基礎。未來，將以建設材料基因工程創(chuàng)新平臺、綜合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)、工程化應用為核心，推動材料基因工程的發(fā)展與應用，通過變革材料“試錯法”的研發(fā)模式，促進新材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

感謝科技部重點研發(fā)計劃專項對材料基因工程研究的支持，感謝重點專項管理部門、專家組和項目負責人對本文提出的寶貴建議。

參考資料

[1]  材料學網(wǎng)，北科大謝建新院士團隊關于中國材料基因工程發(fā)表最新綜述！