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材料基因组计划—第四次产业革命黄孙超hsunchao@163.com中国科学院固体物理研究所2015.11.251国际背景长期以来欧美发达国家一直主导新材料的研发,进入21世纪以来,他们越发意识到传统科学直觉和试错法材料研发模式跟不上社会发展的脚步,成为限制社会发展进步的瓶颈。为了维护自己的主导地位,他们纷纷提出了新材料的设计理念和新方法。如美国的材料基因组计划、日本的玻璃、陶瓷、合金钢等领域材料数据库、知识库等,欧盟的高通量试验平台,德国的工业4.0。2国内现状在1999年6月召开了以“发现和优化新材料的集成组合方法”为主题的香山会议,很多单位进行了相关尝试,但是由于各种问题,最后没有得到普及和开展。当美国宣布材料基因组计划后,在国内引起了极大的响应,主要学术活动如下:2011年12月21-23日以“材料科学系统工程”为主题的香山会议;2013年3月14日材料基因组咨询项目启动会;2013年12月15日“2013中国先进功能材料基因组技术高峰论坛”2014年4月18-20日第六届无机材料专题——材料基因组工程研究进展;2014年科学院和工程院分别向国务院提交咨询报告;2015年9月17-20日的“材料基因组科学技术论坛”;2015年国家重点优先发展专项。32011年12月21~23日香山科学会议学术讨论会,主题“材料科学系统工程”,旨在应对美国提出的材料基因组研究计划,对我国如何规划、开展实施自己的材料科学系统工程提出建议并进行深入的研讨。国家自然科学基金委员会师昌绪研究员中国工程院徐匡迪教授清华大学顾秉林教授中科院物理所陈立泉研究员中科院金属所叶恒强研究员中科院化学所朱道本研究员北京有色金属研究总院屠海令研究员42013年3月14日材料基因组”咨询项目启动会暨“材料基因组”•师昌绪、徐匡迪、陈难先、崔俊芝、干勇、葛昌纯、顾秉林、江东亮、黎乐民、南策文、屠海令、王崇愚、王鼎盛、王海舟、徐惠彬、薛其坤、杨裕生、叶恒强、张统一、张兴栋、周廉、朱静、祝世宁等23位中国科学院、中国工程院院士,近100位知名专家参加了本次会议。•王绍青教授的《材料基因组背景、现状及发展趋势》、杨锐教授的《新型金属高强合金创新与发展》,清华大学王崇愚院士的《高通量材料组合设计与计算———目标材料:第四代单晶高温合金》,中科院材料组合设计与计算———目标材料:第四代单晶高温合金》,中科院物理所汪卫华教授的《原子短程序与金属材料力性机制》,上海大学鲁晓刚教授的《计算热力动学与材料设计基础数据库》,清华大学薛其坤院士的《基础量子效应与先进量子材料方忠拓扑材料与重元素》,清华大学段文晖教授的《第一性原理计算与新型电子材料设计》、南策文院士的《介观尺度上的组合设计:新型复合材料》,复旦大学龚新高教授的《新型半导体能源材料陈冠华下一代半导体器件的设计、模拟及新材料的探索》以及吉林大学马琰铭教授的《材料结构预测及软件》分析。52013年12月15日“2013中国先进功能材料基因组技术高峰论坛”,中科大陈立泉、吴以成、祝世宁、严纯华、李言荣、南策文、李亚栋、薛群基、江东亮、谢毅等院士。为加速材料研发和应用的速度,材料科学家近年来将多学科尖端科学技术(如芯片制造、高性能计算、同步辐射等)引入到材料研究,发技术(如芯片制造、高性能计算、同步辐射等)引入到材料研究,发展了以“组合材料芯片”技术为代表的材料高通量制备和表征技术(10-106样品/次实验),使得采用传统方法需要花费数年时间的工作在极短的时间(如一星期)内即可完成。62014年4月18-20日第六届无机材料专题———材料基因组工程研究进展中国科学院物理研究所陈立泉院士,中国科学院金属研究所叶恒强院士,数学与系统科学研究院崔俊芝院士,中国钢研科技集团有限公司王海舟院士,中国钢研科技集团有限公司王海舟院士,清华大学王崇愚院士,上海大学周国治院士,上海硅酸盐研究所江东亮院士,上海交通大学丁文江院士,中国科学院理化技术研究所吴以成院士,清华大学南策文院士200余名中外学者齐聚一堂。7我国开展材料基因组计划的必要性•我国新材料研发的现状是:急需的新材料找不到,能找到的又做不出,能做出的又做不好,核心竞争力令人堪忧[1]。国家工业和信息化部对30余家大型骨干企业调查结果显示:在所需的130种关键材料中有32%国内完全空白,54%国内虽能生产,但性能稳定性较差,只有14%左右国内可以完全自给[2]。1.汪洪,向勇,项晓东,陈立泉.材料基因组——材料研发新模式[J].科技导报,2015,33,(3).2.王兴艳,宋显珠.我国新材料产业自主创新能力建设反思[J].新材料产业,2014(4):60-62.8材料基因组计划——新材料发展的出路传统方案:引进—消化吸收—再创新关键技术,关键材料受国外封锁。自力更生:“一代材料,一代产业”,材料的每一次更新换代,都会对原先的制造体系,包括设备、技术、标准等造成颠覆性的改变。因此如果按部就班地发展,从零起步,即使一切顺利,经过10-20年因此如果按部就班地发展,从零起步,即使一切顺利,经过10-20年即便研发出了某种高端材料并达到了应用水平,那时国外很可能已经发展出更先进的材料。中国的材料可能依然落后,不得不进入新一轮的追赶。可能方案:材料基因组计划9材料基因的实质材料研发理念的转变:市场与应用为导向,缩短研发,应用周期;从鸟枪法到地毯式搜索的转变;从钓鱼到打鱼的转变;从钓鱼到打鱼的转变;以理论预测在先,实验验证在后的方式代替实验在前理论在后的转变,从而实现从点到面的飞跃。最终目的:实现研发周期和研发费用同时减半。10国内材料基因组的基础没有通用的自主研发的计算软件没有成熟的高通量计算平台没有充足的数据库没有自主研发的高通量试验平台没有自主研发的高通量试验平台前途一片光明,却又没有明确的出路。这即是机遇也是挑战,能否成功关键看团队是否齐心,领导是否有成功的信念和必胜的决心。11国内相关文献共找到相关中文文献40多篇,其中只有3篇文献报道了课题组相关研究,其余都是概念讨论和相关问题分析。关注点——材料基因组的概念虽然至今未被精确定义,但是这种材料设计理念逐渐被认可,即依靠计算工具、实验手段和数字化数据3大手段实现以理3论预测在先,实验验证在后的方式代替实验在前理论在后的转变,从而实现从点到面的飞跃。实现研发周期和研发费用同时减半。[1]刘梓葵.关于材料基因组的基本观点及展望[J].科学通报,2013,35:3618-3622.[2]王绍青,叶恒强.晶体材料基因组问题第一原理计算研究[J].科学通报,2013,35:3623-3632.[3]GRENJohn.材料基因组与相图计算[J].科学通报,2013,35:3633-3637.[4]陈龙庆.相场模拟与材料基因组计划[J].科学通报,2013,35:3638-3641.[5]赵继成.材料基因组计划中的高通量实验方法[J].科学通报,2013,35:3647-3655.[6]王卓,杨小渝,郑宇飞,雍岐龙,苏航,杨才福.材料基因组框架下的材料集成设计及信息平台初探[J].科学通报,2013,35:3733-3744.12[8].中国材料基因组计划如何跨出第一步?[J].中国材料进展,2014,Z1:528-529.[9]范晓丽.一个整体多个层次协同创新材料基因组计划研究进展论坛侧记[J].中国材料进展,2014,Z1:530-531.[10]王方.《美国材料基因组计划战略规划》要点解读会[J].中国材料进展,2014,Z1:567.[11]刘俊聪,王丹勇,李树虎,陈以蔚,魏化震.材料基因组计划及其实施进展研究[J].情报杂志,2015,01:61-66.[12]田恬.材料基因组工程——推动材料创新的引擎[J].科技导报,2015,10:3.[13]张金仓,张文清.我国材料基因组发展及其研究基地建设的思考与探索[J].科技导报,2015,10:12.[14]汪洪,向勇,项晓东,陈立泉.材料基因组——材料研发新模式[J].科技导报,2015,10:13-19.[15]施思齐,徐积维,崔艳华,鲁晓刚,欧阳楚英,张艳姝,张文清.多尺度材料计算方法[J].科技导报,2015,10:20-30.[16]王海舟,汪洪,丁洪,项晓东,向勇,张晓琨.材料的高通量制备与表征技术[J].科技导报,2015,10:31-49.[16],,,,,.[J].,2015,10:31-49.[17]尹海清,刘国权,姜雪,张瑞杰,曲选辉.中国材料数据库与公共服务平台建设[J].科技导报,2015,10:50-59.[18]史迅,杨炯,陈立东,杨继辉,张文清.“材料基因组”方法加速热电材料性能优化[J].科技导报,2015,10:60-63.[19]王薪,朱礼龙,方姣,刘军,戚海英,江亮.基于“材料基因组工程”的3种方法在镍基高温合金中的应用[J].科技导报,2015,10:79-86.[20].上海材料基因组工程研究院成立[J].杭州化工,2015,02:46.[21]范晓丽.材料基因组计划与第一性原理高通量计算[J].中国材料进展,2015,09:65-71.[22]骆军委,李树深.半导体材料基因组计划:硅基发光材料[J].物理学报,,:1-12.[23]尹海清,曲选辉,谢建新.材料基因组计划在北京地区的实施与发展分析[J].新材料产业,2014,01:27-29.[24]冯瑞华,姜山.国外材料计算学研究战略与计划分析[J].科技管理研究,2014,03:34-39.13[25].第六届无机材料专题——材料基因组工程研究进展研讨会第一轮通知[J].硅酸盐学报,2014,03:423.[26].第六届无机材料专题——材料基因组工程研究进展研讨会第一轮通知[J].硅酸盐学报,2014,02:261.[28]赵继成.材料基因组计划简介[J].自然杂志,2014,02:89-104.[30].材料基因组计划可加快新材料产出[J].功能材料信息,2014,02:40-41.[31]关永军,益小苏.航空材料工业发展材料基因组技术的思路及实践[J].新材料产业,2014,06:17-21.[32]孙晓霞.我国材料基因组工程发展之专家声音[J].新材料产业,2014,06:1-3.[33]万勇,冯瑞华,姜山,黄健.美国材料基因组计划实施的一系列举措[J].新材料产业,2014,06:4-7.[34]于灏.美国材料基因组计划最新进展跟踪[J].新材料产业,2014,06:8-9.[35]李茜,张海亮.美国材料基因组计划对我国的启示[J].新材料产业,2014,06:10-12.[36].第六届无机材料专题一材料基因组工程研究进展研讨会纪要[J].硅酸盐通报,2014,05:1275.[40]万勇,黄健,冯瑞华,姜山,王桂芳.浅析美国“材料基因组计划”[J].新材料产业,2012,07:62-64.[41]徐子成,陈思浩,涂闽.从“人类基因组”计划说到“材料基因组”计划——新型高端制造业的基础[J].上海化工,2012,09:1-2.[42]鲁晓刚.集成计算与材料设计——兼谈材料基因组工程[A].中国物理学会相图专业委员会.第十六届全国相图学术会议暨相图与材料设计国际研讨会论文集[C].中国物理学会相图专业委员会:,2012:1.[45]本报记者沈湫莎江世亮.悄然启动的“材料基因组”计划[N].文汇报,2012-04-17008.[46]中航工业航材院材料基因组技术研究中心副主任关永军中航工业航材院科技委主任益小苏.航空工业对材料基因组技术的需求和盼望[N].中国航空报,2013-12-26T01.141.高通量法研究铂金二元合金A.确定研究对象:铂金系列元素6种。过渡周期元素23种高通量计算15(除去6种铂金系列元素和Hg)。铂金系列元素之间可以形成6x5/2=15种二元体系,铂金系列和过渡元素之间可以形成6x23=138种二元体系,总计153种二元体系。B.结构构建:对于每一种体系,都从Aflow结构库中选择20
本文标题:材料基因组简介
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