1 EMGI的內涵與重要性

先進材料是高端制造、信息網(wǎng)絡、人類福祉和國家安全等幾乎所有現(xiàn)代工業(yè)部門創(chuàng)新驅動發(fā)展的重要基石。為推動先進材料的發(fā)展，2011年6月美國總統(tǒng)奧巴馬簽署了由美國科學技術顧問委員會倡導的“Materials Genome Initiative(MGI)”科技白皮書(MaterialsGenomeInitiativeforGlobalCompetitiveness[EB/OL].http://www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/materials_genome_initiative_final.pdf)。作為重新振興美國先進制造業(yè)計劃的一部分，MGI旨在通過集成理論、計算、實驗和數(shù)據(jù)庫手段，將新材料的發(fā)現(xiàn)設計、合成制備到服役應用的整個開發(fā)周期從目前的平均約20年降低一半，而且成本更低廉。毫無疑問，該項計劃如果成功實現(xiàn)，那么將全面加快現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展進程。

含能材料(EM)是國防和民生的重要材料，采用MGI模式發(fā)展EM，必將大幅度提高EM研制效率，造福社會。這就是含能材料基因工程(EMGI)。含能材料基因(EMG)是決定含能材料宏觀性能和行為的基本微觀結構因子及它們之間的內在關聯(lián)；EMGI就是發(fā)現(xiàn)決定含能材料性能的"基因組"，并以此設計、合成新型含能材料。EMGI強調借助理論的指導，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)庫、計算和實驗的交叉作用并加強融合。其突出特點是把各種數(shù)據(jù)入庫并進行管理，通過多重迭代，形成EM的大數(shù)據(jù)，獲得材料基因(MG)；同時通過理論建模計算預估，再通過實驗技術的驗證，大幅度提高含能材料的制備效率。具體來講，EMG可包括原子、原子團、分子、晶體、晶體/晶體表界面、晶體缺陷、相關物、晶體/相關物表界面等，這些可作為今后研究EMG的切入點。例如，低感含能材料具有的EMG是在分子結構上為平面共軛結構、較強分子內氫鍵、鍵離解能大；而在晶體結構上，應該具有分子間氫鍵協(xié)助的π-π堆積。(MaY,ZhangC,etal.Cryst.GrowthDes., 2014, 14, 6101；4703)事實上，尋求EMG并非是一件很容易的事，它必須建立在大量的數(shù)據(jù)的基礎之上。

EMGI的研究意義在于： (1)EMGI反映了含能材料科學研究的本質?？茖W的本質在于認識物質世界，而EMGI正是從科學上尋求決定含能材料的微觀結構及這些結構間的關聯(lián); (2)EMGI將改變含能材料的研發(fā)模式。EMGI將含能材料的數(shù)據(jù)庫、計算與實驗高度融合，改變傳統(tǒng)的試錯法研究模式為按需設計計算合成模擬，研發(fā)效率將大大提高; (3)EMGI將改變傳統(tǒng)的封閉觀念，以更為開放的心態(tài)開展相關研究，合作的大數(shù)據(jù)時代讓人們共贏。

含能材料自中國發(fā)明以來已有一千多年的歷史，經(jīng)歷了黑火藥時期、近代含能材料時期和現(xiàn)代含能材料時期。特別是近一百多年來，含能材料得到了長足發(fā)展，品種日益增加，從普通硝基化合物(代表為TNT)到氮雜環(huán)狀硝基化合物(代表為RDX、HMX)再到籠形化合物(代表為CL-20、八硝基立方烷)，能量逐步提高。結構上，除了傳統(tǒng)的CHON中性分子組成的晶體外，又出現(xiàn)了含能共晶(Bolton,O.;Matzger,A.J.Angew.Chem.Int.Ed. 2011, 50, 8960)、含能離子鹽(Zhang,J.;Shreeve,etal.J.M.J.Am.Chem.Soc. 2015, 137, 1697)和含能金屬有機框架(EMOF)(Li,S.;Pang,S,etal.Angew.Chem.Int.Ed. 2013, 52, 14031)等新結構，豐富了含能材料的組成、結構與性能。然而，含能材料的發(fā)展卻存在如發(fā)展速度較緩慢、組成結構較單一、難以協(xié)調能量與感度間的固有矛盾和貯能釋能已接近極限等問題。借鑒MGI的模式，即，通過實施EMGI，有望實現(xiàn)EM的快速發(fā)展。從MGI的本質來看，發(fā)展EMGI是可能的。MGI強調用高通量并行迭代替代傳統(tǒng)試錯法中的多次順序迭代，逐步由"經(jīng)驗指導實驗"向"理論預測、實驗驗證"的材料研究新模式轉變，最終實現(xiàn)材料"按需設計"。在此過程中，實驗、計算和數(shù)據(jù)庫高度集成，跨領域的信息也高度集成。在前人研究的基礎上，EM研究也積累了一些EMGI的基礎，例如：(1)含能材料也積累了大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括實驗與理論計算，基本結構，物理、化學、力學、老化行為及服役行為多個方面；(2)含能材料設計合成已深入人心，并積累了大量的經(jīng)驗。采用數(shù)據(jù)、模擬計算對待合成的新化合物進行結構性能預估已發(fā)展到一定的水平，在新材料的合成上發(fā)揮了重要作用；(3)高通量的實驗合成在含能材料制備上已得到應用。含能化合物取代合成、含能共晶、含能離子鹽都是實現(xiàn)批量合成的例子；(4)多尺度的檢測手段為尋找EMG奠定了實驗基礎。

但是，我們還需加快EMGI計劃，這主要是因為：(1)含能材料是關系到國計民生的重要材料；(2)在含能材料數(shù)據(jù)庫方面，數(shù)據(jù)的積累與開放程度還遠遠不夠；(3)尚缺乏系統(tǒng)的含能材料設計理論方法和程序；(4)高通量的制備方法處于起步階段；(5)含能材料多尺度與高通量檢測還處于低級階段，難以確定影響宏觀性能的微觀結構；(6)開放合作的氛圍還未形成。

2 EMGI的發(fā)展設想

EMGI的中長期發(fā)展目標是實現(xiàn)通過理論計算和數(shù)字模擬完成先進含能材料的“按需設計”和全程數(shù)字化制造。現(xiàn)階段EMGI的發(fā)展目標是構建含能材料創(chuàng)新基礎設施，包括高通量材料計算平臺、高通量材料制備與檢測平臺和材料數(shù)據(jù)庫。將這些基礎設施與現(xiàn)有的集成計算材料工程無縫銜接，實現(xiàn)多學科交叉和融合，從而加速含能材料從發(fā)現(xiàn)到應用的進程。在此基礎上，設計合成出性能優(yōu)異的含能材料。

為實現(xiàn)上述發(fā)展目標，將采取以下具體措施，包括： (1)發(fā)展含能材料計算工具和方法，減少耗時費力的實驗，加快含能材料設計和篩選； (2)發(fā)展高通量含能材料實驗工具，對候選含能材料進行篩選和驗證； (3)發(fā)展和完善含能材料數(shù)據(jù)庫/信息學工具，有效管理含能材料從發(fā)現(xiàn)到應用全過程數(shù)據(jù)鏈； (4)改革含能材料界的封閉型工作方式，培育開放、協(xié)作的新型合作模式。

MGI平臺包括數(shù)據(jù)庫、設計與計算、制備與表征和服役與失效評估四個部分。

(1) EM數(shù)據(jù)庫。收集整理含能材料相關基礎數(shù)據(jù)，制定含能材料數(shù)據(jù)標準規(guī)范；選擇數(shù)據(jù)庫設計方法與工具，開展數(shù)據(jù)庫模型設計；應用軟件工程技術，進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及管理平臺詳細設計與開發(fā)。

(2) EM設計與計算。在結構上，包含含能材料的多尺度多層次結構：分子結構、晶體結構、表界面結構和部件幾何結構等； 在性能上，包含含能材料的能量、安全性、力學、相容性和老化性能等； 在計算方法上，包含分子模擬、元胞模擬和基于數(shù)值的計算。另外，考慮外界刺激條件如熱力等，同時，必要的實驗驗證也是計算要考慮的內容。面向EMGI和國家先進武器裝備需求的含能材料高性能的計算主要包括如下學科方向： 含能材料科學認知，包括組成、結構、性能間的關系及規(guī)律，加載條件下的演化機制與規(guī)律等； 含能材料設計，包括含能分子工程、含能晶體工程、含能相關物設計、混合炸藥設計等； 含能材料工程應用設計，包括安全彈藥設計，加工、制備工藝設計等。通過上述研究，形成包含計算含能材料學理論與方法、含能材料知識庫和硬軟件的含能材料基因科學與工程的高性能計算研究平臺。

(3)EM制備與表征?；贓MGI模式的EM制備與表征具有多尺度、"一條龍"和高通量的高效特點。在EM的制備上，包括三個層次：含能分子的創(chuàng)制、含能晶體的控制制備和混合炸藥的制備。在設計與計算的基礎上，如選擇四工作區(qū)平臺開展工作，而結晶和混合炸藥的制備也考慮并行或批量實驗。針對含能分子、含能晶體、含能復合材料和PBX炸藥，建立分析技術和方法，鑒定分子結構，建立晶相、表界面、成分、熱性能、力學和安全性分析標準和方法，為含能材料的制備提供高效可靠地分析保障。

(4)EM服役及老化行為。在含能材料老化與相容性研究中，在材料尺度下進行化學反應性、熱力學、分子降解機制和微觀結構研究，掌握組份材料的微觀變化機制；在試件和部件尺度下，重點開展老化試驗技術研究，界面性能測試、質量測試、密度測試、力學性能測試、釋氣種類和組份測試，考察宏觀性能變化，研究老化相容性過程中試件到部件的尺寸效應，在實驗上提高老化相容性研究效率；建立數(shù)值模型，實現(xiàn)微觀變化機制到宏觀性能間的有效關聯(lián)。

此外，EMGI的理論及其與數(shù)據(jù)庫、計算和實驗的協(xié)同發(fā)展。EMGI理論的發(fā)展與數(shù)據(jù)庫、計算與實驗發(fā)展緊密相關：理論是數(shù)據(jù)庫、計算與實驗各方法的基礎與聯(lián)系紐帶，同時也是指導新型含能材料研發(fā)的準則。EMGI理論發(fā)展要重視如下幾點：(1)發(fā)展新型含能材料數(shù)據(jù)庫框架理論，指導構建更為高效的數(shù)據(jù)庫框架；(2)發(fā)展完善計算含能材料學理論，指導提高計算效率和設計效率；(3)發(fā)展含能材料合成制備及檢測方法新理論，指導提高新型含能材料的制備效率和檢測效率；(4)加強理論在各個環(huán)節(jié)的紐帶作用，指導實現(xiàn)EMGI的高效作用。

3 結 語

采用基因組的思路發(fā)展含能材料，有望帶來新的機遇，可能在含能共晶與含能離子鹽方面獲得突破。更重要的是，EMGI將大大改變人們研發(fā)EM的文化理念，更加開放協(xié)同，EM的制備效率大大提高。

張朝陽

中國工程物理研究院化工材料研究所含能材料基因科學研究中心

e-mail: chaoyangzhang@caep.cn

NSAF聯(lián)合基金重點項目(U1530262)

感謝中國工程物理研究院化工材料研究所趙川德、鄧川和魯洪三位同志提供相關文稿。