导读
材料基因工程是借鉴生物学上的基因工程技术，探究材料结构（或配方、工艺）与材料性质（性能）变化的关系，并通过调整材料的原子或配方、改变材料的堆积方式或搭配，结合不同的工艺制备，得到具有特定性能的新材料。以材料设计和模拟为基础的材料基因工程已经成为当前材料科学中不可或缺的一部分，也已经让人们看到了材料基因工程的巨大作用。
一、发展背景需求与战略意义
01
材料基因工程是新材料发展的“推进器”
材料基因工程是材料科学技术发展历程中的一次重大飞跃，是新材料研发的力量源泉，是新材料发展的“推进器”。材料基因工程通过采用高通量并行迭代方法替代传统试错法中的多次顺序迭代方法，逐步由“经验指导实验”向“理论预测和实验验证相结合”的材料研究新模式转变，以提高新材料的研发效率，实现新材料“研发周期缩短一半、研发成本降低一半”目标，加速新材料的“发现-开发-生产-应用”进程。开发快速、可靠的计算方法和相应的计算程序，部分替代和指导探索材料的高通量实验方法，建立从微观组织结构预测宏观性能的桥梁，从更宽的组分范围、更多样复杂的微观结构来认识材料体系的特性，寻找并确定影响材料性质的“材料基因”，构建材料基因研究标准数据库，缩短材料从设计到应用的时间周期。增强我国在新材料领域的知识与技术储备，提升应对高性能新材料需求的快速反应和生产能力，通过材料基因工程的实施，能够有效促进我国高端制造业和高新技术的发展，为实现中国制造的目标作出应有的贡献。
02
材料模拟与材料设计是重要的科学研究方法
高通量的材料基因研究是有效释放科技创新活力的科学理论基础。这是由于材料是人类社会赖以生存的物质基础。纵观人类发展的历史，每种重要新材料的发现和应用都将人类改造自然的能力提升到一个新的水平。在科技日新月异的当代社会，每一项重大科技的突破也很大程度上是依赖于相应的新材料的发展。新材料是现代科技发展之本，现阶段高新技术的发展往往都以新材料技术为突破口。新材料的开发和应用，在某种程度上代表着一个国家的科技水平。新材料产业已经成为21世纪的支柱产业，它能够有力支撑节能环保、高端装备制造、新能源汽车、新一代信息技术、生物技术等产业的发展。而以材料设计与模拟为理论基石的材料基因工程在新材料的研发过程中占有非常重要的地位。
国内外发展现状及主要问题
二、国内外发展现状及主要问题
01
国外发展情况
一直以来，美国、欧盟、日本、新加坡等世界主要国家和地区的都非常重视通过高通量的材料计算模拟与材料基因设计来研发新材料。
国家/地区
实施内容
美国
年，美国能源部提出了“高级计算科学发现项目”作为开发新一代科学模拟计算机的综合计划。
年美国国家研究委员会针对美国国防部对材料与制造研究的需求进行了研究，并推荐将计算材料设计研究作为投资的主要方向。年6月24日，时任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”计划（AdvancedManufacturingPartnership，AMP），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”（MaterialsGenomeInitiative，MGI）作为AMP计划中的重要组成部分，投资超过1亿美元，是美国为保持其在先进材料及高端制造业领域领先地位的一大举措。
欧盟
欧洲科学基金会的“材料的从头算模拟先进概念”计划（AB-initioSimulationsofMaterials，Psi-k2）致力于开发凝聚态材料在原子层级的“从头算”计算方法。
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、相变记忆存储六类高性能合金材料需求为牵引，于年启动了第7框架项目“加速冶金学”计划（AcceleratedMetallurgy，AccMet），年提出了“冶金欧洲”（MetallurgyEurope）研究计划。
AccMet主要集中在合金的设计和模拟方面，升级的“冶金欧洲”研究计划更注重在工业领域的应用。“冶金欧洲”研究计划确定了17个未来的材料需求和50个跨行业的冶金研究主题，课题研究时间为～年，其价值及影响涉及清洁能源、绿色交通、卫生保健和下一代制造等。
日本
年，日本文部科学省启动纳米生物技术、能源和环境领域“生产技术先进仿真软件”的开发。
年，开始开发“间隙控制材料设计和利用技术”。同年，文部科学省和经济产业省联合推行“分子技术战略”。
新加坡
新加坡高性能计算研究院开发的APEX（AdvancedProcessExpert）数据挖掘技术已被用于解决工业问题。
面对欧美等国家在“材料基因组”领域的突然发力，国内的材料学界也认识到，国内材料科技工业与国际先进水平存在一定的差距。“材料基因组计划”为材料科技工业快速追赶国际先进水平提供了机遇，成则会迅速缩短差距，败则会被甩得更远。因此，实施中国版的“材料基因组计划”不仅极其重要，而且异常紧迫。为了避免我国在未来的新材料技术及其他高科技领域的国际竞争中处于被动地位，以师昌绪院士和徐匡迪院士为代表的多位著名材料科学家提出中国必须发展自己的“材料基因组计划”。
02
国内发展情况
年02月，科技部发布了关于国家重点研发计划高性能计算等重点专项，启动了“材料基因工程关键技术与支撑平台”重点专项。该专项共部署40个重点研究任务，实施周期为5年。本重点专项的主要研究内容是：构建高通量计算设计、高通量制备与表征和专用数据库等三大协同创新平台；研发多尺度集成化高通量计算方法与计算软件、高通量材料制备技术、高通量表征与服役行为评价技术，以及面向材料基因工程的材料大数据技术等四大关键技术；在能源材料、生物医用材料、稀土功能材料、催化材料和特种合金等支撑高端制造业和高新技术发展的典型材料上开展验证性示范应用。
年，在材料基因工程关键技术和验证性示范应用方向已启动13个研究任务的14个项目。
年，本重点专项在材料基因工程关键技术和验证性示范应用方向已启动16个研究任务的19个项目。中央财政经费支持万元
年，在材料基因工程关键技术、验证性示范应用、新技术和新材料探索，以及协同创新示范平台建设等方向启动11个研究任务，拟支持11-22个项目，拟安排国拨经费总概算为2.20亿元。
年度14个项目明细
年度19个项目明细
年度拟启动11个研究任务明细
综上所述，“材料基因组计划”是先进材料开发的崭新模式，力图通过高通量材料计算、高通量材料合成和检测实验以及数据库的技术融合与协同，加快材料从发现、制造到应用的研发过程的速度，降低成本。
三、拟重点发展的新材料
01
发展目标
欧美发达国家的“材料基因组”正迅猛地发展起来，而国内材料科技工业与国际先进水平尚存在一定的差距，“材料基因组计划”为材料科技工业快速追赶国际先进水平提供了机遇。为避免我国在未来的新材料技术及其他高科技领域的国际竞争中处于被动地位，国务院、科技部、中国科学院、中国工程院、发展改革委、教育部、工业和信息化部、食品药品监管总局等一起合力发起国家重点研发计划《材料基因工程关键技术与支撑平台重点专项实施方案》工作，启动“材料基因工程关键技术与支撑平台”重点专项发展计划。
材料基因工程的发展目标是：融合高通量计算（理论）、高通量实验（制备和表征）和专用数据库三大技术，变革材料的研发理念和模式，实现新材料研发由“经验指导实验”的传统模式向“理论预测、实验验证”的新模式转变，显著提高新材料的研发效率，实现新材料“研发周期缩短一半、研发成本降低一半”的目标。
根据总体预期目标，材料基因组工程将从以下四个具体分目标分别进行：
（1）实现高通量材料基因计算模拟
包括实现高通量多尺度材料模拟的建模方法，开发适用于高通量计算的高置信和协同式多尺度模拟算法，其中包含大尺度体系电子结构算法、多尺度动力学算法、电子-声子-离子协同输运算法、微观-介观-宏观耦合算法等，发展以第一性原理为基础的量子力学-热力学-动力学-宏观力学高通量集成算法理论和软件，在并发式作业间的“关联”技术上取得突破，在热电材料、核材料和单晶高温合金等方面开展验证性应用。
（2）拟实现高通量材料基因制备、表征及筛选方法
分别包括实现面向实际应用的大尺寸、高密度材料阵列高通量制备的新方法、关键技术和新装备研究，阐明化学组分与结构连续或准连续分布薄膜或分立阵列高通量制备的科学原理，建立面向复杂体系材料高通量制备的成分与组织结构控制方法，研发具有自主知识产权的大尺寸薄膜或分立阵列高通量制备新技术与新装备，实现材料高通量可控制备和优化筛选，在典型材料中开展验证性应用。实现成分和组织结构可控的高通量块体材料制备新方法及其科学原理的研究，开发高效制备具有不同微区成分、相结构和组织的块体材料新技术，研制具有自主知识产权的新装备，在典型的高性能材料中获得应用，验证其高效性、经济性、可靠性和加速获得材料成分-相-组织-性能关系的能力，显著提高新材料研究开发和应用的效率。
（3）拟实现高通量材料基因数据库
以支撑材料基因工程研究为目标，开展多层次跨尺度材料设计、高通量实验验证与表征专用数据库架构研究；开展材料复杂异构数据整合、管理与共享技术研究和标准规范建设，研发高通量计算、高通量实验与表征数据的高效处理与加工技术；运用云计算、大数据和机器学习等先进技术，开展多尺度材料计算与实验数据的关联分析、材料组织结构的高精度图像处理、非结构化数据挖掘等研究；建成有效支撑材料基因工程研究的专用数据库。
（4）拟实现应用材料的高通量开发设计
针对下一代固态电池关键材料开发，发展高通量计算方法及软件平台，计算筛选优化适用于固态电池的高能量新型正极材料、二维电极材料、高离子电导率固态电解质等备选材料，通过大数据分析获得构效关系，发展高通量制备、表征、测试平台，对备选材料进行原理验证；基于优化材料，研制高性能固态原理电池，完成综合测试；开发出新一代高性能固态二次电池样机，通过样机考核，推动电动汽车或者相关产业的发展；利用材料基因工程思想，筛选元素及原材料，研发一类组成元素储量丰富、毒性低、稳定性高、具备优异半导体性质、效率更高的新型薄膜太阳能电池吸收层材料，设计出长电子-空穴扩散长度的无机非铅钙钛矿材料；采用高通量技术合成筛选的新材料，并研究其理化性质（吸收光谱/带隙/电子-空穴扩散长度）及在光照下的温湿度稳定性，研发出新一代太阳能电池材料，降低太阳能发电成本并具备推广应用潜力；构筑从微观到宏观、从单元到多元的多尺度、多维度的理论建模和算法，研究成分-结构-性能之间的关系，在宏观尺度上建立从工艺到寿命的预测性理论。
02
发展技术线路图
根据以上四个主要发展目标和重点发展的新材料方向及内容，绘制了预计至年我国材料基因工程领域的发展技术路线图，如下图所示。
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