材料基因组计划简介

微钛空间 2018-12-08 14:58:38

近几年来“材料基因组计划”频繁出现在各类报道中,那么究竟什么是“材料基因组计划”呢?

材料基因组计划(又名Materials Genome Initiative),简称MGI。2011年6月24日,美国总统奥巴马宣布启动一项价值超过5亿美元的"先进制造业伙伴关系"(Advanced Manufacturing Partnership,AMP)计划,呼吁美国政府、高校及企业之间应加强合作,以强化美国制造业领先地位,而"材料基因组计划"(Materials Genome Initiative,MGI)作为AMP计划中的重要组成部分,投资将超过1亿美元。

"材料基因组计划"是美国经过信息技术革命后,充分认识到材料革新对技术进步和产业发展的重要作用,以及在复兴制造业的战略背景下提出来的。数据共享与计算工具开发对MGI的成功至关重要。先进材料复杂的物理与化学特性可以因不同的应用需要而相应调整,并可以在合成、生产和使用过程中改变。对这些特性的跟踪是一项非常艰巨的任务,MGI的努力还包括将术语、数据归档格式和指南报告标准化。


项目背景

自上个世纪八十年代起,技术的革新和经济的发展越来越依赖新材料的进步。目前,从新材料的最初发现到最终工业化应用一般需要10~20年的时间。例如,作为目前移动电子设备所用的Li电池,从上世纪70年代中期实验室原型到90年代晚期应用,前后花了近20年时间,但是至今还没能应用到电动汽车上,很明显,新材料产品的设计严重滞后于新材料的研发速度。

当前,面对竞争激励的制造业和快速的经济发展,材料科学家和工程师必须缩短新材料从发现到应用的研发周期,以期来解决21世纪的巨大挑战。然而,当前的新材料研发主要依据研究者的科学直觉和大量重复的“尝试法”实验。其实,有些实验是可以借助现有高效、准确的计算工具,然而,这种计算模拟的准确性依然很弱。制约材料研发周期的另一因素是从发现、发展、性能优化、系统设计与集成、产品论证及推广过程中涉及的研究团队间彼此独立,缺少合作和相互数据的共享以及材料设计的技术有待大幅度提升。

项目目标

最近在工程领域出现的集成材料计算与计算机技术相结合范例表明,可以把现有的材料研发周期20~30年缩短到2~3年。《材料基因组计划》拟通过新材料研制周期内各个阶段的团队相互协作,加强“官产学研用”相结合,注重实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享(利益通过学习标识以解决知识产权问题),目标是把新材料研发周期减半,成本降低到现有的几分之一,以期加速美国在清洁能源、国家安全、人类健康与福祉以及下一代劳动力培养等方面的进步,加强美国的国际竞争力。《材料基因组计划》项目在2012年已投入1亿美元。

主要内容

1 材料计算手段

目前,从电子到宏观层面都有各自的材料计算软件,但是还不能做到高效跨尺度计算以达到材料性能预测的目的;各个软件之间彼此不兼容;由于知识产权问题,彼此不能共享计算工具的源代码。在这方面未来的工作主要集中在以下几个方面:

(1)建立准确的材料性能预测模型,并依据理论和经验数据修正模型预测;

(2)建立开放的平台实现所有源代码共享;

(3)开发的软件界面友好,以便进一步拓展到更多的用户团体。

2 实验手段

(1)实验为弥补理论计算模型的不足和构架不同尺度计算间的联系;

(2)补充非常基础的材料物理,化学和材料学的数据,涉及材料的电子,力学,光学等性能数据,构建材料性能相关的成分,组织和工艺间内在联系,并建立庞大的数据库;

(3)利用实验数据修正计算模型,加速新材料的筛选及高效确定。

3 数字化数据库建立

(1)构建不同材料的基础数据库、数据的标准化以及它们的共享系统;

(2)拓展云计算技术在材料研发中的作用,包括远程数据存储与共享;

(3)通过数字化数据库建设,联系科学家与工程师共同高效开发新材料。

研究重点

1 面向国家安全的新材料

(1)轻质防护材料

(2)电子材料

(3)能源存储

(4)生物替换材料

(5)密切注重与能源及电子行业相关的矿物(Pt,Te,RE等)

(6)积极开展能够替代稀少元素的相关新材料研发

2 面向人类健康与福祉新材料

(1)生物相容性材料(假肢,植入材料与器件,人工器官等);

(2)防护人体受伤的防护材料

例如,关于防护脑损伤材料,在伊拉克和阿富汗战争中有36万人有创伤性,在美国普通民众每年有高达170万人次因平时的运动及车祸造成的脑损伤等,相应的医疗费用达600亿美元/年。


3 面向清洁能源新材料

(1)生物质能源转化用催化剂

(2)人工光合作用材料

(3)光伏电池材料

(4)能源存储材料

(5)汽车轻量化材料(10%重量下降可以节省能耗6-8%的能耗)

(6)混合动力、电动汽车及氢能汽车


4下一代劳动力培养

(1)改变单兵作战,强化“官产学研用”之间的协作与共享机制

(2)在材料开发领域,强化实验学家、理论学家、计算机人才和工程师之间的密切合作

(3)数字化数据的共享与计算平台的开放

(4)加强在高校的本科生和研究生中的交叉学科课程设置

(5)企业员工针对材料设计与模拟软件和相关程序的再教育

具体分工

计算材料与设计化学计划(美国能源部,美国国家自然科学基金委员会)

1)高质量软件工具包,新算法、与已有工具包的兼容性

2)发展新的标征技术改善算法与软件

先进材料设计计划(美国标准化科学与技术研究所)

1)建立标准的基础设施、参考数据库和卓越计算中心

2)可靠的计算机建模与仿真材料的优化发展

3)密切协调与DOE和NSF的软件和设计的实验工具

能源效率和可再生能源下一代材料计划(美国能源部)

1)利用计算工具,以加速能源技术相关新材料的制造和表征。

2)制造过程中用新材料,具备新性能的复合材料系统和更低的制造成本,用于预测新材料空间和时间变化的建模和仿真工具

国家安全与防御能力提升的基础/应用计算材料研究(美国国防部) 

下一代劳动力(美国国家自然科学基金委员会,美国国防部)


那么各界对“材料基因组计划”有着怎样的评价,我国在这方面的研究现状如何,微钛空间将继续为大家介绍。

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