材料基因組計劃（Materials Genome Initiative，MGI）是由美國總統(tǒng)奧巴馬于2011年6月24日宣布啟動的一項計劃，作為先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系（Advanced Manufacturing Partnership，AMP）的一部分，該項目旨在通過加強政府、高校及企業(yè)的合作，提高美國制造業(yè)的全球競爭力。MGI的目標(biāo)是將新材料的研發(fā)周期縮短一半，并降低成本至原有水平的幾分之一。
背景
自二十世紀(jì)八十年代以來，新技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展日益依賴新材料的創(chuàng)新。然而，新材料從實驗室發(fā)現(xiàn)到實際應(yīng)用的過程往往需要長達(dá)10至20年的時間。例如，鋰離子電池從1970年代中期的實驗室原型到1990年代末的實際應(yīng)用，歷時約二十年，但仍未應(yīng)用于電動汽車。面對激烈的市場競爭和迅速的經(jīng)濟發(fā)展，材料科學(xué)家和工程師面臨著縮短新材料研發(fā)周期的壓力，以應(yīng)對二十一世紀(jì)的挑戰(zhàn)。然而，傳統(tǒng)的研發(fā)方法主要依賴于科研人員的經(jīng)驗和大量的試錯實驗，且缺乏有效的計算工具和數(shù)據(jù)共享。
目標(biāo)
材料基因組計劃旨在通過整合材料研發(fā)周期內(nèi)各個環(huán)節(jié)的團隊合作，加強政府、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和用戶的互動，強調(diào)實驗技術(shù)、計算技術(shù)和數(shù)據(jù)庫之間的協(xié)作和資源共享，從而將新材料的研發(fā)周期縮短至原來的一半，同時顯著降低研發(fā)成本。該項目預(yù)計將在清潔能源、國家安全、人類健康與福祉以及下一代勞動力培養(yǎng)等領(lǐng)域取得進(jìn)展，增強美國的國際競爭力。
內(nèi)容
計算手段
材料基因組計劃致力于建立準(zhǔn)確的材料性能預(yù)測模型，并通過開放平臺實現(xiàn)源代碼共享，以促進(jìn)更多用戶群體的參與。此外，還將開發(fā)友好的軟件界面，以擴展應(yīng)用程序。
實驗手段
實驗手段將用于完善理論計算模型，構(gòu)建基礎(chǔ)材料物理、化學(xué)和材料學(xué)數(shù)據(jù)，建立材料性能與其成分、組織和工藝之間的關(guān)聯(lián)，并創(chuàng)建大規(guī)模數(shù)據(jù)庫。實驗數(shù)據(jù)也將用于改進(jìn)計算模型，加速新材料的篩選。
數(shù)據(jù)庫建立
數(shù)字化數(shù)據(jù)庫的建立將涵蓋各種材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并規(guī)范數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和共享系統(tǒng)。云計算技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步擴展材料研發(fā)中的數(shù)據(jù)存儲和共享。
研究重點
國家安全新材料
材料基因組計劃關(guān)注輕質(zhì)防護(hù)材料、電子材料、能源儲存、生物替代材料等方面的研究，尤其重視與能源和電子行業(yè)相關(guān)的稀缺礦物質(zhì)的替代品開發(fā)。
人類健康與福祉新材料
在人類健康與福祉領(lǐng)域，重點關(guān)注生物相容性材料、防護(hù)材料的設(shè)計，如防腦損傷材料，以應(yīng)對戰(zhàn)爭和日常生活中常見的傷害。
清潔能源新材料
清潔能源新材料的研究涵蓋了生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化催化劑、人工光合作用材料、光伏電池材料、能源儲存材料等多個方向，特別強調(diào)汽車輕量化材料的研發(fā)，以提高燃油效率。
下一代勞動力培養(yǎng)
材料基因組計劃致力于培養(yǎng)新一代勞動力，提倡“官產(chǎn)學(xué)研用”之間的緊密合作，加強實驗學(xué)家、理論學(xué)家、計算機人才和工程師之間的交流，推動數(shù)字化數(shù)據(jù)共享和計算平臺的開放，并在高等教育中推廣交叉學(xué)科課程。
分工
材料基因組計劃的具體工作由多個機構(gòu)負(fù)責(zé)，包括美國能源部、美國國家自然科學(xué)基金委員會、美國標(biāo)準(zhǔn)化科學(xué)與技術(shù)研究所、美國國防部等部門，各自承擔(dān)不同的職責(zé)，如開發(fā)高質(zhì)量軟件工具包、建立標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施、優(yōu)化計算機建模與仿真材料等。
評價
材料基因組計劃受到美國國家納米技術(shù)項目（NNI）的影響，后者專注于1至100納米范圍內(nèi)的材料研究。MGI有望借鑒NNI的知識基礎(chǔ)設(shè)施計劃，加強數(shù)據(jù)共享和科學(xué)建模團體之間的協(xié)作。此外，MGI還可能參與NNI與歐盟的合作，以促進(jìn)大西洋兩岸的數(shù)據(jù)共享。
參考資料 >
材料基因組計劃，是何方神圣？.中科院物理所.2024-10-31
材料基因組計劃，是何方神圣？ .搜狐網(wǎng).2024-10-31
美國材料基因組計劃戰(zhàn)略目標(biāo)及其啟示.中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng).2024-10-31