北科大谢建新院士团队关于中国材料基因工程发表最新综述!

subtitle 材料学网 10-23 18:46

导读:材料基因工程是材料领域的颠覆性前沿技术,将对材料研发模式产生革命性的变革,全面加速材料从设计到工程化应用的进程,大幅度提升新材料的研发效率,缩短研发周期,降低研发成本,促进工程化应用。本文从基础理论与方法、关键技术与装备、新材料研发与工程化应用、人才培养以及材料基因工程新理念的形成和推广等方面,综述了中国材料基因工程的研究进展,并提出了未来发展方向建议。

新材料是发展高端制造业的物质基础,是高新技术发展的先导。为了加速新材料产业的发展,重振美国高端制造业,2011 年6 月,时任美国总统奥巴马宣布启动了“面向全球竞争力的材料基因组计划”(Materials Genome Initiative for Global Competitiveness,简称“材料基因组计划”),重点建设材料高通量计算、高通量实验和材料大数据等基础设施和平台,形成新材料创新发展的基础条件和能力。

2014年美国将“材料基因组计划”提升为“国家战略”,深入诠释了“材料基因组计划”的内涵,明确其核心内容和目标是:通过实验-计算-理论的集成创新,加速材料大数据技术的发展,培养具有材料基因组新思想和新理念的材料工作者,变革材料研发文化,加速美国新材料和高端制造业的发展。作为实现材料基因组计划的重要举措,美国建设了45 个材料基因组创新平台,每个平台政府投资0.7~1.2 亿美元,建设周期5~7 年。

2018 年美国RTI 国际咨询公司和华盛顿大学经济政策研究中心对建设材料基因组基础设施的经济性进行了分析,通过对120 位企业家的咨询和调研得出结论:材料基因组是集基础研究、共性技术、工业放大技术和产品集成技术为一体的综合性技术,是对材料发现、开发、生产、应用等阶段的全过程加速,是打破新材料研究与市场化之间瓶颈、加速新材料产业化的有效手段;材料基因组关键技术和基础设施的应用,可以降低新材料研发风险1/2 以上,缩短新材料从发现到工程化应用时间1/3 以上,降低研发成本1/3 以上,产生的经济效益约为1230~2700 亿美元/年。2019 年美国发布了关于材料基因组人才培养的报告,定义了材料基因组专业人才应该具备数据处理、计算建模、计算机仿真、可视化和软件管理的技能,具有材料多层次、跨尺度集成计算的能力,掌握高通量和自动化实验的技能[4]。

美国宣布“材料基因组计划”后,欧盟、日本和印度等国家迅速启动了类似的研究计划,争取在新一轮材料革命性发展中占有先机。中国工程院和科学院开展了广泛的咨询和深入的调研,科技部于2015年启动了“材料基因工程关键技术与支撑平台”重点专项(简称“材料基因工程重点专项”),开展材料基因工程基础理论、关键技术与装备、验证性示范应用的研究,布局了示范性创新平台的建设。在材料科技工作者的努力下,中国材料基因工程研究取得了令人瞩目的进展。

北京科技大学谢建新院士课题组院士在材料基因工程的概念与内涵,材料基因工程重点专项,新材料发现、优化与性能提升,关键技术与装备研发,带动地方创新平台建设和专项研究,引领学科发展,推动创新人才培养,材料人工智能技术的研发与应用,材料基因工程关键技术工程化应用,未来发展方向建议等方面进行了综述。这些研究进展表明材料基因工程新理念、新方法和新技术的推广应用,可以大幅度提升创新能力和水平,显著加速新材料的研发和应用。相关综述以题“中国材料基因工程研究进展”发表在国内顶级材料期刊金属学报上。

论文链接:DOI 10.11900/0412.1961.2020.00199

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材料基因工程是材料科技领域的颠覆性前沿技术,是材料科学与工程学科的重要发展方向;其核心任务是借鉴人类基因组计划的研究理念和方法,加速新材料的研发和应用;通过构建材料高通量计算设计平台、高通量实验平台和数据库平台等三大平台,实现材料研发“理性设计-高效实验-大数据技术”的深度融合和全过程协同创新;通过突破高效计算方法、高通量实验方法、材料大数据技术等关键技术,实现新材料研发周期缩短一半、研发成本降低一半的目标。

图1 材料基因工程变革研发模式

图2 材料基因工程方法发现新型高温块体金属玻璃Ir-Ni-Ta-(B)

图3 激光分子束外延-扫描隧道显微镜(STM)高通量制备与表征系统[

图4 材料基因工程理念数据库技术[

图5 机器学习方法发现新型高强高导铜合金

材料基因工程研究有力地推动了我国材料科技领域前沿共性关键技术、前沿新材料的研究和发展,推动了材料基因工程新理念和新方法的形成和发展,促进了材料科技前沿技术发展。尤其是材料基因工程国家重点专项的实施,产出了一批原创性的基础理论和关键技术,研制出了一批具有自主知识产权的装备,一批研究成果获得工程化应用,为提升我国在材料科技前沿领域的研究水平和地位,打下了坚实的基础。未来,将以建设材料基因工程创新平台、综合型创新人才培养、工程化应用为核心,推动材料基因工程的发展与应用,通过变革材料“试错法”的研发模式,促进新材料产业的快速发展。

感谢科技部重点研发计划专项对材料基因工程研究的支持,感谢重点专项管理部门、专家组和项目负责人对本文提出的宝贵建议。

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