发展材料基因组工程，助力上海科创中心建设

全球兴起材料基因组计划

材料创新历来是各种颠覆性技术革命的核心，新型材料是高端先进制造业的基础。近年来，旨在加速新材料研发进程的材料基因组工程成为各国材料界热议的话题。为重塑全球制造业的领导者地位，美国于2011年提出“先进制造业伙伴关系”计划，实施再工业化战略，以期实现制造业的复兴。作为该计划的重要组成部分——美国“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative，MGI），明确了要通过材料创新来满足新兴制造业对高性能新材料的需求，从而带动先进制造业的发展。

材料基因组研究根植于计算材料科学的发展。20世纪80年代以来，材料科学基础学科如物理、化学等不断发展，计算物理与量子化学方法不断完善，计算机软硬件技术不断进步。材料科学、物理、化学、应用数学以及工程力学等多学科交叉，使得计算材料科学在电子-原子层次上的第一性原理计算、结构性能与服役行为的预测、介观尺度微结构演化等的计算模拟、多尺度计算、工程过程仿真、材料数据库建立与智能化应用等领域发挥了重要作用。其中，高通量计算与模拟作为一个正在兴起的学科领域，在材料计算中具有加速新现象、新材料发现和创新的强大功能。

最近20年，以美国为代表的发达国家不断从国家发展战略高度出发，以国家行为加大推动计算材料科学发展的力度。2011年6月，美国正式提出MGI，并在2014年12月公布的《材料基因组计划战略规划》中进一步明确了63个重点研究方向。其目标是集成多尺度的计算材料科学方法、高效实验手段和数据库，加快材料研发速度，降低材料研发成本，提高材料设计的成功率，使材料的开发周期从目前的10～20年缩短一半，甚至只需要2～3年。

印度于2013年启动印度版的“材料基因组计划”（Mapping the Materials Genome），成为继美国之后明确提出材料基因组发展规划的第一个亚洲国家。日本为振兴国家经济能力，解决材料需求的瓶颈问题，则提出了“元素战略”国家计划，特别强调材料研究模式的“变革”，反映出日本紧抓历史机遇的部署。

在美国启动MGI的同时，欧盟以轻量、高温、高温超导、热电、磁性及热磁和相变记忆存储6类高性能合金材料需求为牵引，推出了“加速冶金学”（Accelerated Metallurgy，ACCMET），计划对数以万计的合金成分进行自动化筛选、优化，旨在将合金配方研发周期由传统冶金学方法所需的5～6年缩短至1年以内。

我国在2011年12月就召开了主题为“材料科学系统工程”的香山科学会议。2012年12月，中国工程院开始了《材料科学系统工程发展战略研究——中国版材料基因组计划》重大项目研究。其后不久，中国科学院《材料基因组与材料科学创新发展》战略咨询项目启动。两院院士在研究报告中提出围绕若干关键材料体系，借助材料基因组技术，推动先进材料的“按需设计”，解决最紧迫的国家挑战性材料问题，发展和建立我国的新材料创建体系，从而有力扭转我国关键新材料自给率低的现状。

长期以来，由于我国材料科技工业起步较晚，关键材料对外依存度极高，诸多重大战略领域的发展受到了制约。在当前发达国家对材料研发突然发力、加速布局的背景下，为实现材料产业的跨越式发展，有关院士专家建议应该抓住材料基因组研究带来的机遇，尽快实施中国版“材料基因组计划”，推进新材料研发由传统的、相对低效的“经验指导实验”转向新型的、相对高效的“理论预测、实验验证”模式，推进新材料的研发和应用，为创新驱动战略提供持续动力。

美国“材料基因组计划”的目标和具体内容

2016年2月19日，国家科技部发布的2016年度国家重点研发计划项目申报指南中，“材料基因工程关键技术与支撑平台”被列为重点专项正式启动。中国工程院主席团名誉主席徐匡迪院士认为，材料基因组是信息化时代对材料科学研究方法的一次重大变革，对缩短材料研发周期具有重要意义，希望科学家能抓住机遇，积极建设我国材料创新平台，加快我国从材料大国向材料强国的转变，使材料创新成为推动我国制造业和经济增长的原动力。国家科技部副部长、中国科学院院士侯建国指出，当前新材料的供给总是落后于需求，如何缩短新材料的研发周期成为科研工作者面临的重大挑战，中国版“材料基因组计划”的实施将有助于改善这一形势。中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、中国工程院院士江东亮表示，积极启动国家层面的材料基因组战略，将有助于我国新材料研发在世界上争取到领先席位。

运用创新方法研发新材料

材料显微组织及其中的原子排列决定了材料的性能，就像人体细胞里的基因排列决定着人体机能一样。材料基因组作为一种新提法，本质是一个交叉领域——材料计算模拟，综合了凝聚态物理、材料物理学、理论化学、材料力学、工程力学和计算机算法等相关学科。

材料基因组由材料计算手段、实验手段和数字化数据库3大模块组成。这3大模块需要开发及整合集成，应用于材料从研发至服役周期的全过程，将现在材料的研发与应用从线性、孤立的流程变成交互、连续的流程网络。同时，材料的创新基础架构与现有产品设计框架将进行无缝结合，有望形成快速、整体的工程设计，推动更具竞争力的制造业发展。

在材料计算手段方面，目标是使用仿真软件加速材料研发步骤，指导发现新材料，替代部分实验测试。MGI计算工具开发将聚焦在3个方面：（1）创立精确材料结构与性能模型，并根据理论和实验数据反复验证模型；（2）开放式的平台架构；（3）易使用且模块化的友好界面。其重点是加速先进计算工具（软件）的开发，尤其是针对目前快速增长的第一性原理计算和先进的建模算法。

在实验手段方面，重点是高通量实验工具的补充、验证及与计算和模型的结合，以及实验结果与其参量的函数关系，提高快速优选实验的定量性和可靠性，以此作为加速新材料研发的基础。

在数字化数据库方面，重点是数据的共享，以及有效地搜寻、判断和分析利用，便于不同阶段的研究人员和工程人员之间的交流，将数据与各阶段模型和试验整合，并强调数据的知识产权保护。

由此可见，材料基因组研究的重要意义在于：一是为新材料研发提供理论基础和优选方案，对新型材料与新技术的发明产生重大影响；二是可以促进材料科学由定性描述跨入到定量预测阶段，提高材料的性能和质量，大幅缩短从研究到应用的周期，对经济发展和国防建设做出重要贡献。

上海材料基因组工程研究进展

目前，全国多地已经开始积极统筹区域优势资源，为加入国家材料基因组的整体计划做准备，上海在全国率先开展了材料基因组方面的研究工作。上海市科学技术委员会主任寿子琪认为，当前材料基因组工程是国内外科技界的热门方向，同时也是改变材料研发思维模式的重要举措，上海具备良好的材料基因组研究基础及条件，应集聚各方优势协同发展上海材料基因组工程。近一年来，一批材料基因组研究平台的相继建立，标志着上海在该领域的工作取得了突破性进展。

2015年1月23日，中国科学院上海硅酸盐研究所无机材料基因科学创新中心成立。该中心集成了上海硅酸盐研究所在计算材料、高通量合成与快速筛选、微结构表征、先进制造以及无机材料数据库方面的优势研究力量，聚焦国家安全急需、极端环境服役的高性能陶瓷基复合材料，以及能源、环境、生物等新兴领域发展需要的先进无机材料，致力于解决材料设计、快速筛选、智能制造等关键科学问题；基于材料基因组理念，运用计算模拟及高通量筛选平台，系统开展多尺度与多层次的材料设计、制备工艺优化、材料与器件服役行为研究等。中心还将在此基础上，建立国内无机材料数据库，期望在新材料探索和面向重大需求的关键材料集成制造等领域取得创新性成果，加速我国无机材料研究步伐，带动和引领无机新材料的探索与研发。

2015年4月20日，上海交通大学材料基因组联合研究中心揭牌。该中心将广泛集聚校内外优势创新力量，创新体制机制，协同发展，积极探索资源共享的新型协作模式，共同发展材料基因组，促进材料研发及制造技术的快速发展，加快高性能结构、生物医用、能源、信息等领域新材料的研发和产业应用，引领材料科技发展方向，为上海和全国，乃至世界先进材料产业及高端制造技术的发展做出贡献。上海交通大学教授、中国工程院院士丁文江和中国工程院院士潘健生认为，材料创新研究已经跨入一个新时代，应该把握机遇，围绕材料基因组工程，尽快建成共享、开放的研究平台；注重多学科交叉融合，加强校内交流，组建科研大团队；加强国际交流，与国际上最好的实验室开展合作，逐步形成国际影响力。

2015年4月23日，在上海市科学技术委员会的支持下，我国首家地方性材料基因组研究机构——上海材料基因组工程研究院正式挂牌成立。该研究院将依靠各成员单位积极探索产学研深度融合的协同创新体制和机制，吸纳国内外优质资源，聚焦材料的重大应用与发现，在材料基因数据库、集成计算与软件开发、高通量材料制备与表征、服役与失效机理，以及产业化探索等领域的科学研究、技术开发和基地建设布局方面开展基础性和应用性研究，加快研发速度、降低研发成本，服务于高端制造业和战略新兴产业，建成一个具有国际影响力的材料基因科技创新中心。同时，研究院还将为材料科学研究新模式和产学研一体化运行管理机制的探索提供基础，为面向未来的学科高度融合式的现代材料科学的教学-科研-人才培养提供基地。

上海发展材料基因组工程的思考和建议

材料基因组工程提供了革命性的新材料研发理念和方法，必将对上海的相关产业发展起到积极的促进作用。目前，上海正在加快建设具有全球影响力的科技创新中心，应该紧密结合上海产业结构特点和升级发展需求，同时主动融入相关领域科技创新资源集聚的趋势和过程中，尽早做好涵盖顶层协调机制、多层次牵引平台和协同创新文化等要素的材料基因组工程规划布局，形成服务国家发展战略、对接上海产业发展的全方位发展格局。

第一，以国家及上海重大战略需求为导向，大力推进上海的材料基因组工程布局。

材料基因组工程研究的最终目标是加快新材料的研发过程，实现新材料研制成本和研制周期双减半。上海应尽快瞄准国防军工、先进能源、高性能复合材料等上海急需且具备良好研究基础的材料应用领域进行布局，突出重点，聚焦3～4种典型材料，深化材料基因组研究的认识，取得经验后再逐步推广。具体包括：（1）特种金属与高温合金材料，如航空发动机和燃气轮机涡轮叶片用高温合金；（2）先进能源材料，如锂离子电池材料；（3）高性能复合与轻量化结构材料，如大飞机、航空航天用关键轻量化材料；（4）先进智能与特种功能材料，如电子信息材料、生物医学材料等。

第二，突出政府主导作用，构建跨部门、领域和学科的顶层协调机制，推动材料基因组工程的健康可持续发展。

材料基因组的核心思想是理论知识和实践经验的协同互促，目的在于实现材料的定制式快速、准确设计和供应，以满足现代工业的发展需要。上海应学习和借鉴国外成功的发展经验，针对传统材料研究相关部门之间缺乏协同的弊端，以政府主导为核心建立材料基因组工程的发展战略和技术路线图，尽快确立引导官产学研通力合作的顶层协调和保障机制，充分体现及保证全市各优势单位顺利开展协同创新，推动材料基因组工程的健康可持续发展，逐步突破限制高端制造业发展的新材料研发瓶颈。

第三，强化重大项目带动作用，搭建基础研究、关键技术和知识产权等多层次平台，牵引材料基因组工程从示范走向应用。

政府的经费支持和政策激励对材料基因组工程的发展十分重要，企业、高校和研究院所的自主创新更不可或缺。上海要充分调动各方积极性，按照总体发展规划和技术路线，有序出台材料基因组工程研究重大项目指南，通过政府财政性项目资助，带动材料基因组研究成果受益企业和社会资本的配套支持。同时，在优化配置基础上，上海应加强材料基因组的基础平台建设，在市级层面建立资源充分共享的计算平台、高通量实验平台、数据库平台以及材料服役与失效平台。

第四，注重人才核心作用，创建学科交叉、区域联动的复合型专业团队，培养材料基因组工程的协同创新文化。

中国科学院物理研究所研究员、中国工程院院士陈立泉强调，材料基因组工程研究涉及材料、物理、化学、力学、计算机等诸多学科，是典型的交叉领域，绝对不是以研究人员个体为主的传统意义上的理论计算，而是多学科协同创新，这是材料基因组工程的重要特征。

因此，上海应培养材料基因组工程的协同创新文化。首先，在沪相关高校和研究院所应该着手开展复合型专业人才培养的试点工作，及早培育下一代材料科研工作者。其次，整合在沪相关单位的科研力量，组建联动共享的专业团队，充分利用各种平台等基础设施，协同发展，避免各自为战。第三，要有针对性地与国内外相关机构建立合作研究、交流互访机制，加速形成材料基因组工程的协同创新文化。