美國《材料基因組戰略規劃》公布63個重點研究方向

　　2014年12月，美國總統直屬的科學技術委員會頒布《材料基因組計劃戰略規劃》（MGI）。這是美國國家層面的最高級科技戰略規劃，將協調和指導聯邦政府的投資和研發活動，為MGI的發展指明方向。

　　一、《材料基因組計劃戰略規劃》的背景及目標

　　新材料研發周期示意圖

　　目前材料技術面臨的一個巨大挑戰是：新材料開發周期過長。特別是對于軍用材料，通常需要十年以上的時間才能使其應用到實戰裝備上。這就使得新裝備往往只能使用十幾年前的老材料。MGI采用的方法是，尋求計算、實驗和數據的獨特無縫集成，推動新材料的成功發現和更快速地部署及融入商業化產品。這種方法將加速目前還只能是想象的新產品的開發和發現，如可用于軍用車輛和人員盔甲的強大的耐沖擊的阻尼材料；可輕易承受高沖擊力的汽車用超輕質材料；或充一次電可供手機使用幾周的薄膜電池材料。MGI的目標是：將發現、開發、生產和部署先進材料的速度提高兩倍（由原來的10-20年縮減到5-10年），并將成本降為原來的一小部分。

　　二、《材料基因組計劃戰略規劃》公布的重點研究領域及方向

　　該戰略規劃公布了9大關鍵材料研究領域下的63個重點方向，其中樹脂基復合材料、關聯材料、電子和光子材料、儲能材料以及輕質結構材料這5類材料涉及到的37個重點方向對國家安全影響重大。

　　1. 生物材料

　　生物材料領域是一個價值數十億美元的產業，最大應用是拯救生命和提高人類福利。生物材料主要包括：（1）人體組織和器官可再生生物活性材料；（2）仿生材料，包括像肌肉一樣傳遞能量的材料、具有未知屬性的自組裝層狀結構材料、自修復或自適應材料；（3）生物構造材料，包括利用生物材料，特別是利用細胞的基因操作能力去創建新材料；（4）生物系統新材料，如可應用于傳感、再生、藥物發現、或燃料生產的細菌或干細胞。MGI列出了生物材料的8個重點發展方向。

　　2. 催化劑

　　催化劑是一種活性材料，其反應位置及工作環境對所需產品的性能和選擇性至關重要。催化劑是一項使能技術，對美國許多產業起關鍵作用，包括能源、化工和藥品。例如，催化劑將有效裂解水，以廉價的商業規模徹底改變能源行業，并顯著降低二氧化碳排放。MGI列出了催化劑材料的7個重點發展方向。

　　3. 樹脂基復合材料

　　樹脂基復合材料由于其優異的比強度和比剛度，最初應用于航空航天領域，目前正在快速商業化到其他行業,如汽車和體育用品行業。樹脂基復合材料通過成分設計和結構設計，實現特殊應用，這種功能定制設計能實現許多其他功能，如電、熱、光和/或磁性性能。MGI列出了樹脂基復合材料的9個重點發展方向。

　　4. 關聯材料

　　由于電子的相互作用，最近發現的許多新材料具有超常性能。電子結構是材料原子結構的一部分。關聯電子材料包括高溫超導體、自旋電子材料、磁性材料、巨磁阻材料、拓撲絕緣體等。理解和預測這些材料的行為，需要超越不考慮電子相互作用的傳統模型和單一實體的模型。MGI列出了關聯材料的7個重點發展方向。

　　5. 電子和光子材料

　　電子和光子材料對光電子產業的任何應用都是至關重要的。而光電子產業的復雜性和規模是獨特的，改進電子和光子材料以及產品的制造工藝，對性能持續改進和保持美國國內技術領先優勢是必要。MGI列出了電子和光子材料的7個重點發展方向。

　　6. 能源材料

　　能源材料應用廣泛，工廠和住宅的能源存儲設備需要滿足大規模需求，電動汽車和便攜式設備、醫療設備需要滿足小、輕的需求。快速和高效的充電和充電穩定是先進能源系統的特征。MGI列出了能源材料的8個重點發展方向。

　　7. 輕質結構材料

　　輕質結構材料應用于航空航天、艦船、汽車、重型機械、鐵路、家電和建筑工業領域，這些行業每年貢獻近五千億美元的美國國內生產總值。所有這些行業的產品發展和競爭力提升，都依賴于不斷改進的和可負擔得起的輕質結構材料。MGI列出了輕質結構材料的6個重點發展方向。

　　8. 有機電子材料

　　未來幾年，眾多碳基、可打印的柔性電子項目將能夠實現100億美元或更多的經濟價值，影響到如照明、顯示、傳感、能量轉換和儲存、醫療診斷、生物相容電子、環境監測等許多領域。MGI列出了有機電子材料的6個重點發展方向。

　　9. 聚合物

　　聚合物在高科技應用和日常生活無處不在，幾乎應用在所有依賴于高分子材料的關鍵部件或加工步驟的工業領域，包括能源、交通、航空航天、電子、生物技術、制藥、包裝、水資源管理。雖然目前高分子行業由石油聚烯烴主導，但原則上，利用一體化方法開發出的新的復雜結構聚合物分子將能夠超越任何生物系統。MGI列出了聚合物材料的5個重點發展方向。

　　三、點評

　　美國已將材料技術的發展提升到國家戰略的高度。MGI是繼2001年“美國國家納米技術計劃”（NNI）之后，美國政府提出的又一個國家級材料技術發展計劃。美國實施MGI和NNI計劃，意在提前部署材料基礎研究，搶占發展先機，從而穩固美國在國家安全、人類健康和福利、清潔能源、基礎設施和消費品的世界領先地位。

　　MGI對于縮減材料開發時間和成本具有宏大的目標，這些目標的設立充分參考了早期探索工作的經驗與教訓，具有現實可行性。一旦實施成功，將對美國的各個領域產生重要影響，可大大提升美國國防實力和經濟競爭力。MGI倡導的“計算建模、實驗工具、數據庫”一體化研究方法，可將關鍵軍用材料（如發動機材料）的研發時間縮短到原來的一半甚至更短時間。隨著進一步的推廣使用，必將催生新材料的發現，提高現有材料的技術成熟度，對提升美軍武器裝備的性能，縮短研制周期，降低成本都將產生巨大的影響，已引起各國的高度關注。

　　延伸閱讀：

　　美國“材料基因組計劃”對我國的啟示

　　一、美國材料基因組計劃概要

　　2010年，中國超越美國成為全球第一制造業大國，在全球中低端制造業市場占據主導優勢，同時，德國、日本以及韓國也在蠶食美國中高端制造業市場份額。為重塑美國全球制造業的領導者地位，同時應對金融危機帶來的經濟下滑、失業率上升等問題，美國總統奧巴馬于2011年提出“先進制造業伙伴關系”計劃，明確再工業化戰略，通過高新技術支撐，打造先進制造業，以期實現制造業的復興。作為“先進制造業伙伴關系”計劃的重要組成部分，美國于2011年底推出了“材料基因組計劃”，通過材料創新來滿足新興制造業對高性能新材料的需求，帶動先進制造業的發展。美國材料基因組計劃包括以下3個方面內容：

　　一是要打造全國性的“材料創新基礎設施”。基礎設施主要為材料學模擬設計軟件、材料學實驗工具、以及材料學分析計算工具。基礎設施的精確化和共享化，可構成獨立并互促的研發機制，模擬、實驗和計算環節互不影響、獨立進行，但是三者可互為依據實時互調，形成環形新材料研發流程，實現理論和實踐全方位融合，縮短研發周期。

　　二是要構建全國性的“材料創新合作平臺”。創新合作平臺包括開放式的研發數據共享平臺和科研人員合作平臺。建模工具、計算工具、實驗工具、實驗進程和實驗成果間的開放和共享，可促使官產學研的相關人員合作創新，在新材料研發過程中實現全方位數據實時共享，構成創新系統化、數據共享化、人才協作化的新材料研發體系。

　　三是要將新材料研發周期縮短一半。借助“材料創新基礎設施”和“材料創新合作平臺”，依靠試錯法，即利用現有關于材料的理論知識和實踐經驗，通過調整研究材料配比，進行表征測試和檢驗，找出微觀原子間的相互作用與材料宏觀特性的因果規律，繪制材料基因圖譜，用縮短一半的研發周期為不同應用“定制”相應的材料，將舊有的線性研發進程優化為環形。

　　從之前的“炒菜式”研發升級為有章可循的研發。材料的微觀組織，如原子或分子的性質和排列、晶體結構和缺陷決定了材料的宏觀性能，比如力學性能、電學性能、熱力學性能等。材料基因組計劃將材料的微觀組織整理歸納為“材料基因”，對“材料基因”的模擬計算可獲得材料的宏觀性能模擬數據，替代舊有的“炒菜式”實驗過程。

　　材料基因組計劃構建了理論知識和實踐經驗協同互促的研發機制，可以降低研發成本，提高設計的成功率。材料基因組計劃也可以實現定制式的材料快速供應機制，盡可能地滿足工業發展的需要。根據制造需求提出材料的性能需求，再根據性能需求快速、準確地設計研發出所需材料。比如，新型“非礦產”能源材料的定制化供應，可以克服礦物資源分布不均及稀缺對經濟發展的限制，滿足人類日常生活、城市建設以及軍事國防的發展需求。同時，材料基因組計劃也可以鞏固美國在高端制造業的領先地位，以新材料作為內推力推動高端制造業的復興。

　　二、美國材料基因組計劃合作推進機制的創新

　　1.聯邦政府是計劃引領者

　　一是負責制定發展戰略。奧巴馬政府于2011年出臺“材料基因組計劃”，從最基礎的材料領域入手，支持全工業領域的改革升級，推動美國再工業化進程。四個聯邦政府部門共同投資630億美元，以推動“材料基因組計劃”，借助產學研政通力合作，突破限制高端制造業發展的新材料研發瓶頸。

　　二是明確重點發展領域。聯邦政府明確“材料基因組計劃”中3個重點發展領域，分別是國家安全相關材料、人類健康和福利材料、以及清潔能源材料。國家安全相關材料主要是用來保護和武裝軍事力量的輕質保護材料、電子材料、儲能材料、生物替代材料、稀土材料等；人類健康和福利材料包括生物相容性材料、防受傷的保護材料等，比如假肢和人工器官；清潔能源材料主要為石油替代材料，比如光伏材料、生物催化劑材料、動力電池材料等。

　　三是確定部門職責。美國聯邦政府開展跨部門跨領域全面合作，使“材料基因組計劃”與“未來工業材料計劃”、“國家納米技術計劃”對接，確立全制造業領域聯動的各項計劃的推進。先進制造國家項目辦公室（AMNPO）負責選定重點學科前沿研究領域并負責國家制造創新網絡（NNMI）的管理工作，國家制造創新網絡負責建立15個遍布全國的創新中心（IMI），創新中心負責開展新材料的具體研發工作。美國先進制造伙伴關系指導委員會（AMP Steering Committee）負責監管AMNPO的工作，美國總統科技顧問委員會（PCAST）和美國國家技術委員會（NSTC）是計劃推行的總智囊團。

　　2.創新中心和高校是計劃深耕者

　　創新中心是“材料基因組計劃”具體工作的執行者。國家增材制造創新中心（NAMI）由位于俄亥俄州、賓夕法尼亞和西弗吉尼亞科技帶的制造業領域的多方產學研政機構構成，匯聚10億美元政府投資和4 000萬美元社會籌資，重點研究可用于國防、航空、汽車和金屬制造領域的增材制造，即3D打印。數字化制造和設計創新中心（DMDI）旨在提升數字化設計和制造能力，由美國國防部負責規劃設計，將形成跨學科的研究團隊，整合IT和制造解決方案，與企業界緊密合作，推動數字技術在供應鏈中的應用，構成美國制造商的“知識樞紐”。國防部負責的另一個創新中心“輕質化現代金屬研發”創新中心，將于航空航天、金屬冶煉等多領域的工業企業一起良性互促發展。“下一代電動力的研發生產”創新中心，整合了能源部、通用汽車公司、阿貢國家實驗室的資源，共同助力下一代車用先進鋰電池研發。由美國商務部國家標準與技術研究院（NIST）投資2 500萬美元，將于2018年建成的“先進材料卓越中心”將促進美國國家標準技術研究院（NIST）和學術界、工業界在先進材料發展方面開展合作。

　　高校間的合作是突破技術瓶頸和構建分享機制的重要途徑。威斯康星大學、喬治亞理工學院、麥迪遜大學合作建立的材料創新學院一直致力于材料創新加速網絡的研發。美國勞倫斯伯克利國家實驗室、麻省理工學院和分子間有限公司（Intermolecular）則致力于開發預測材料性能的軟件，并通過美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）向用戶開放。哈佛大學和IBM聯合免費公布包含有230萬個太陽能電池備選材料在內的最大太陽能材料數據庫。麻省理工學院還開放了大量關于新材料創新和產業化的網絡課程。

　　3.重點制造業領域企業是計劃收獲者

　　制造業企業不僅能助力新材料的創新研發，為新材料提供產業化轉換平臺，加快新材料的推廣進程，還能為企業自身構建明朗的發展前景。清潔能源鋰電池技術的不斷成熟，成功實現特斯拉電動汽車的市場化，特斯拉趕超傳統汽車生產商通用汽車，成為電動汽車業的龍頭，壟斷性占據全球電動汽車市場。3D打印材料研發的深入，顯著拓寬了3D打印應用領域，打印品從餅干蔓延至零部件，還為Stratasys等3D打印企業迎來了難得的發展機遇。

　　三、對我國推動新材料研發的建議

　　我國新材料研發創新方面還存在較多不足，如數據庫不健全、計算軟件落后、專業人才匱乏、企業參與積極性不高等問題。因此，為加快我國從材料大國向材料強國的轉變，必須積極推動材料創新，使材料創新成為推動我國制造業和經濟增長的原動力。

　　1.成立指導協調委員會

　　目前，我國材料研究相關部門之間缺乏協調。為了加速新材料研發的速度，迫切需要成立包括政府、學術界和企業界在內的國家級指導協調委員會，支持不同部門、不同領域和不同地區的新材料團隊之間的協同研發。加強前瞻性布局，從國家戰略需求、人類健康和環境保護等領域需求出發，選擇具有代表性的材料，開展基因組技術的示范性應用研究，以推動材料科學健康可持續發展。

　　2.完善材料數據庫建設

　　創建大規模開放數據庫是材料研究的精髓。而我國材料基礎數據庫還比較落后，大量的材料數據都分散在各個單位或個人手中，不同單位之間的數據庫彼此孤立、缺乏共享。因此，一方面要保存好現有實驗數據，例如，從國家同步輻射、中子衍射和大型超級計算機模擬器等得到的數據，逐步建立國家級數據庫公用平臺；另一方面要完善數據庫共享機制，打破不同單位和部門之間的利益界限，加強成果利用效率，避免重復投入和研發。

　　3.研發計算模擬軟件

　　計算模擬軟件是材料基因組計劃的基礎，而我國計算模擬軟件的研發能力較弱，大多數計算模擬軟件都是從國外購買的，幾乎沒有自主知識產權的通用軟件。國外軟件不僅售價較高，而且我們無法得到基礎性數據，這一情況嚴重制約了我國材料基因組計劃的開展。因此，我國應積極開發材料集成計算與模擬工具，研發具有自主知識產權的通用程序包，擺脫國外軟件壟斷，搶占材料基因組計劃的制高點。

　　4.加大資金支持力度

　　美國基因組計劃實施2年多來，已累計投入數億美元支持學術界、產業界和聯邦機構的項目，極大地推動了新材料和新技術的研發。為推動我國材料研發發展，一方面，我國應以國家自然科學基金、國家“863”計劃和國家“973”計劃等項目為依托，加大對材料基因組技術的資金支持；另一方面積極籌建若干個材料研究中心，注重多學科交叉融合，組建科研大團隊，并以此為載體大力發展我國材料基因組計劃。

　　5.積極培育復合型人才

　　專業人才的匱乏正制約著我國材料基因組計劃的推進。首先，有條件的高校可以加強交叉學科的課程設置，打破分散學科之間的障礙，大力培養新型人才，為我國材料基因組發展提供智力支持；其次，加強企業員工的再教育，開展材料設計與模擬軟件和相關程序等相關培訓，提高員工素質；再次，吸引國內外一流科學家來華合作研究和學術交流，培養材料基因組研究領域的創新型研究人才，形成一支多學科融合的協同創新團隊。

　　6.強化官產學研用聯系

　　新材料研究要通過政府、高校及企業的合作來強化制造業優勢。而我國“官、產、學、研、用”之間的聯系較少，企業參與積極性不高，使得產品的推廣非常困難。首先，在材料開發領域，政府應積極引導，大力提倡以應用為背景的材料研究與開發；其次，加強科研單位與企業界之間的合作，促進成果轉化，提高先進材料的開發速度；再次，支持企業采用計算材料設計新技術，促進材料設計方法和工具的進展。

　　7.加大知識產權保護

　　材料數據獲取過程比較復雜，且數據相對分散，具有很強的知識產權屬性。單位或個人因知識產權得不到保護而不愿分享，彼此不能共享計算工具的源代碼。數據共享是大勢所趨，因此，一方面應積極建立開放的平臺實現源代碼共享，并通過唯一標識來保護數據的知識產權，防止共享數據被濫用；另一方面應積極制定相關規章制度和法律條文，保護資源和數據共享，加大對侵犯知識產權的打擊力度，以保證材料數據的私密性和公開性的協調統一。

　　8.強化國際交流與合作

　　美國材料基因組計劃實施2年多來，政府、學術界和工業界廣泛參與，新材料的研發進程明顯加快。我國應迅速行動起來，抓住這次重大科學計劃的有利時機，構建材料創新平臺。通過加強國際交流，與國際上先進的實驗室開展合作，建立聯合研究中心等方式，逐步形成國際影響力，推動我國材料研發水平的全面提升。