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不久前，中國工程院國際工程科技戰(zhàn)略高端論壇暨第三屆材料基因工程高層論壇順利舉行。論壇旨在進(jìn)一步促進(jìn)材料基因工程基礎(chǔ)理論、前沿技術(shù)和關(guān)鍵裝備的發(fā)展和應(yīng)用，加強(qiáng)國際交流，加速我國新材料的研發(fā)和應(yīng)用。

近幾年來，新材料的“孕育”正在我國加速前進(jìn)。據(jù)悉，我國目前已形成了全球門類最全、品種與產(chǎn)量規(guī)模第一的材料產(chǎn)業(yè)體系，材料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約占我國GDP的23%，2018年新材料產(chǎn)值3.9萬億元。但是，目前我國在先進(jìn)高端材料研發(fā)和生產(chǎn)方面差距甚大，關(guān)鍵高端材料遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)自主供給。

于是，中國提出運(yùn)用材料基因工程的方法來創(chuàng)新研制新材料，成為科技創(chuàng)新的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。

“大國重器”的“脊梁”

中國材料基因工程是什么？

它堪稱“大國重器”的“脊梁”。

自古至今，材料一直是物質(zhì)進(jìn)步的基石。以人類社會(huì)發(fā)展而言，我們跨步邁過了石器時(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代……

到了近代，世界發(fā)生了五次科學(xué)和技術(shù)革命：近代物理學(xué)的誕生，蒸汽機(jī)和機(jī)械革命，電氣和運(yùn)輸革命，相對(duì)論和量子論革命，電子和信息革命……每次科技革命都帶動(dòng)了人類社會(huì)質(zhì)的飛躍。

科學(xué)家猜測(cè)，不久的將來，第六次科技革命將閃亮登場(chǎng)。它將是一場(chǎng)新生物學(xué)和再生領(lǐng)域的革命。在這場(chǎng)科技革命中，材料科學(xué)將作為重要組成，扮演重要角色。

中國制造業(yè)穿越了發(fā)達(dá)國家?guī)装倌甑墓I(yè)化歷程，創(chuàng)造了人類發(fā)展史上的奇跡。中國被公認(rèn)為“世界第一制造業(yè)大國”、驅(qū)動(dòng)全球工業(yè)增長的“重要引擎”。

但是，中國制造“卡脖子”難題仍然存在?？萍疾扛咝录夹g(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化司副司長曹國英在論壇上強(qiáng)調(diào)：“國家針對(duì)信息顯示、運(yùn)載工具、能源動(dòng)力、高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等幾大領(lǐng)域的347種關(guān)鍵材料的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，被國外禁運(yùn)和實(shí)施出口管制的材料達(dá)到61種，依賴進(jìn)口156種?！?/p>

這是個(gè)令人“觸目驚心”的數(shù)字。

并且，在我國處于領(lǐng)先的一些行業(yè)和企業(yè)的材料器件應(yīng)用情況，更加不得不令人重視。

“以高鐵為例，輪、軸、軸承等走行部件90%依賴進(jìn)口?！?/p>

“在5G技術(shù)方面，射頻器件和數(shù)字電路新品等基礎(chǔ)材料及關(guān)鍵器件依賴美、日等國?！?/p>

“我國集成電路制造業(yè)所需的八大類器材中，12英寸硅片、光刻膠、氟聚酰亞胺膠等近千種關(guān)鍵材料大量依賴進(jìn)口，高端引線框架、接插件材料也依賴進(jìn)口?！?/p>

在新材料領(lǐng)域，我國創(chuàng)新力不足，資源保護(hù)和利用能力不強(qiáng)，這將阻礙中國“制造強(qiáng)國”的發(fā)展進(jìn)程。

如何解決這一難題？我國科學(xué)和技術(shù)專家聯(lián)合想出了一個(gè)極具前瞻性的辦法：實(shí)施“中國材料基因工程”。

這一工程將促成材料科技的革命性發(fā)展，有效解決新材料發(fā)展的瓶頸問題。

材料基因的豐富內(nèi)涵

談到“基因工程”，第一時(shí)間閃現(xiàn)在我們腦海里的是氣勢(shì)恢宏的“人類基因組計(jì)劃”。它于1990年啟動(dòng)，美、英、法、德、日和我國等科學(xué)家共同參與，預(yù)算達(dá)數(shù)十億美元?？茖W(xué)家們要搞清楚的是，人體內(nèi)的約2.5萬個(gè)基因密碼。這一計(jì)劃通過測(cè)定組成人類染色體中30億個(gè)堿基對(duì)組成的核苷酸序列，繪制出人類基因組圖譜，辨識(shí)基因及其序列，最終達(dá)到破譯人類遺傳信息的目的。

那么，材料領(lǐng)域的“基因計(jì)劃”又涵蓋了哪些內(nèi)容呢？

首先，我們要弄懂一個(gè)基本名詞：材料的“基因”。

雖然各國眾說紛紜，但科學(xué)家們的觀點(diǎn)有共同之處，即材料基因指的是材料的原子、分子、功能團(tuán)等，組成了該材料的基本單元。不同材料基本單元并非唯一，可以是自然存在的原子、分子、電子、離子、單一相等物質(zhì)粒子，也可以是上述物質(zhì)組合而成的團(tuán)簇、單元或組合。

這些基本單元的排列順序及缺陷結(jié)構(gòu)，決定了該材料的性質(zhì)和功能。它們被延伸到制造業(yè)工藝中，又生成了各異的加工工藝。

仿如探測(cè)“宏大”的寶藏，一旦搞懂了每一種材料的“基因”，我們就可以探索出各種材料體系的成分、組織、工藝、性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系，而這些，就構(gòu)成了材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

材料基因工程是近年來國際材料領(lǐng)域興起的顛覆性前沿技術(shù)，它的基本理念是融合材料高通量計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)和材料大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過協(xié)同創(chuàng)新，加速新材料的設(shè)計(jì)和研發(fā)。

基于新材料研發(fā)的戰(zhàn)略意義，美國、歐盟相繼啟動(dòng)了“材料基因組計(jì)劃”，以滿足新興制造業(yè)對(duì)高性能新材料的需求。

以美國“材料基因組計(jì)劃”為例，它的首要目標(biāo)是促進(jìn)材料行業(yè)全體參與者，包括政府部門、工業(yè)部門、專業(yè)社團(tuán)以及學(xué)術(shù)界的大力合作。材料基因組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括計(jì)算工具、實(shí)驗(yàn)工具、數(shù)字化數(shù)據(jù)以及協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。該計(jì)劃希望通過材料數(shù)據(jù)的私密性和公開性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)儀器、模擬計(jì)算工具、材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可獲取性，把發(fā)現(xiàn)、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用先進(jìn)材料的速度提高一倍，從而保持美國的全球競(jìng)爭(zhēng)力。

比較有趣的一點(diǎn)是，材料基因工程是一種設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)型材料研發(fā)模式。即有機(jī)構(gòu)先提出需求，創(chuàng)新機(jī)構(gòu)根據(jù)這些需求，從龐大的材料數(shù)據(jù)庫中，做各種性能計(jì)算、篩選和設(shè)計(jì)，制造出最貼近“買家”需求的“寶貝”。

用“行話”來說，就是做大量的交叉融合的高通量模擬計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)和材料大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，使科學(xué)家們更快速地發(fā)掘出特定材料體系的成分、組織、工藝、性能間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，使得新材料研發(fā)效率更高、成本更低。

傳統(tǒng)的材料研發(fā)方法是，科學(xué)家們把自己“關(guān)”在實(shí)驗(yàn)室里，運(yùn)用他們強(qiáng)大的大腦（材料理論和知識(shí)儲(chǔ)備），對(duì)每種材料逐個(gè)“試錯(cuò)”，做材料配比、表征測(cè)驗(yàn)，最終找到滿足需求的材料。用這種方法，新材料從研發(fā)到應(yīng)用，需要至少20年時(shí)間。

材料基因工程出現(xiàn)后，把傳統(tǒng)的材料“研發(fā)—產(chǎn)品”過程做了個(gè)大翻轉(zhuǎn)，從需求倒推符合結(jié)構(gòu)功能的材料。這一做法使得新材料研發(fā)和應(yīng)用的周期縮短到5-10年。

換句話說，利用材料基因工程的平臺(tái)和先進(jìn)技術(shù)，幾年內(nèi)就可能取得新材料成果。

五大創(chuàng)新平臺(tái)作支撐

截至目前，中國材料基因工程通過突破高通量計(jì)算方法、高通量實(shí)驗(yàn)方法、材料大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技術(shù)，建成了中國材料基因工程創(chuàng)新平臺(tái)，希望達(dá)到新材料研發(fā)周期縮短一半研發(fā)成本降低一半的目的。

中國工程院院士干勇介紹，我國已啟動(dòng)的五大科技平臺(tái)中，處于首位的就是材料基因組的研發(fā)平臺(tái)。

目前，我國“3+1”綜合性國家科學(xué)中心創(chuàng)新體系已在布局，在北京懷柔的材料基因組平臺(tái)，正力爭(zhēng)在新型高溫超導(dǎo)體和金屬氫的發(fā)展、非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理、量子計(jì)算物理機(jī)制、新型量子材料的復(fù)雜相變、物性的超快調(diào)控和晶格振動(dòng)實(shí)時(shí)成像等重大科學(xué)問題取得新的突破，并在清潔能源、特種功能、高溫合金和高強(qiáng)輕質(zhì)復(fù)合材料等關(guān)鍵新材料技術(shù)上取得突破。

2017年5月31日，北京市懷柔科學(xué)城五個(gè)交叉研究平臺(tái)項(xiàng)目已全部開工建設(shè)。其中，材料基因組研究平臺(tái)項(xiàng)目是懷柔科學(xué)城配套跨學(xué)科交叉研究平臺(tái)中重大科研項(xiàng)目之一，將建成我國首個(gè)、世界上規(guī)模最大、手段最齊全的材料基因組研究平臺(tái)，并將以我國先進(jìn)量子材料為突破口，迅速直接產(chǎn)出原創(chuàng)性的基礎(chǔ)研究成果。

除此之外，在上海，超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置，暗物質(zhì)與中微子、實(shí)驗(yàn)室天體物理、拓?fù)涑瑢?dǎo)量子計(jì)算三大實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正式開建。在深圳，已經(jīng)初步建成“云腦”“靶場(chǎng)”“云網(wǎng)”三大科學(xué)裝置。在合肥，同步輻射光源、穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)等大學(xué)技裝置正為新材料的研發(fā)發(fā)揮越來越重要的作用。此外，以云南稀貴金屬材料基因組為代表的各種材料基礎(chǔ)平臺(tái)陸續(xù)立項(xiàng)。一些專業(yè)軟件公司基于材料基因組技術(shù)，開始為行業(yè)提供大數(shù)據(jù)、技術(shù)計(jì)算、人工智能協(xié)同創(chuàng)新服務(wù)。

目前來看，我國新材料研發(fā)體系正在形成，涵蓋從基礎(chǔ)工程到場(chǎng)景應(yīng)用，初步形成了完整的生態(tài)鏈。

謝建新認(rèn)為，“目前我國材料基因工程領(lǐng)域的研究存在較大的優(yōu)勢(shì)。國家的快速響應(yīng)、地方政府和社會(huì)的積極參與、材料科技界的高度重視、大學(xué)相關(guān)人才培養(yǎng)的跟進(jìn)，使我國在該領(lǐng)域的研究擁有一定的基礎(chǔ)，而且有國家重點(diǎn)專項(xiàng)牽引，從關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、平臺(tái)建設(shè)、典型材料研發(fā)示范等各個(gè)方面全面布局推進(jìn)，初步成效顯著?！?/p>

但與此同時(shí)，“未來幾年是我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，制造強(qiáng)國建設(shè)為新材料產(chǎn)業(yè)提供了廣闊的市場(chǎng)空間，也對(duì)新材料研發(fā)速度、研發(fā)成本、質(zhì)量、性能等提出了更高的要求?！惫I(yè)和信息化部原材料司副司長常國武建議，“我國發(fā)展材料基因工程，還需要進(jìn)一步加速新材料研發(fā)產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用的銜接，充分利用國家新材料測(cè)試評(píng)價(jià)平臺(tái)、新材料生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺(tái)和新材料資源共享平臺(tái)，促進(jìn)數(shù)據(jù)信息設(shè)施共用共享，同時(shí)進(jìn)一步營造良好的人才成長環(huán)境，加快培養(yǎng)一批國際化復(fù)合型人才?！?/p>

有專家表示，未來的社會(huì)是數(shù)字社會(huì)，數(shù)字社會(huì)的材料一定要數(shù)字化，從某種意義上而言，材料數(shù)字化意味著必須建立數(shù)據(jù)接口，才能實(shí)現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。而材料基因工程，通過大數(shù)據(jù)、人工智能方法的應(yīng)用，將從材料層面促成“萬物互聯(lián)”社會(huì)的來臨。更具戰(zhàn)略性意義的一點(diǎn)是，它將從基礎(chǔ)層面來解決中國制造“卡脖子”難題，從而有力地推動(dòng)中國“制造強(qiáng)國”的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。