质料基因工程通过融合高通量盘算、高通量实验、专用数据库三大手艺 ，实现新质料研发由“试错法”向“理论展望、实验验证”模式的转变 ，从而抵达降低质料研发本钱、缩短研发周期的目的。自2011年6月美国启动“质料基因组妄想”后 ，欧盟、日本等国迅速启动了类似研究妄想。本文对外洋质料基因组妄想的主要内容、手艺内在、科学实质、最新动向及其未来生长趋势等举行了简要先容 ，对我国质料基因工程的组织实验提出了对策建议。
1.质料基因组妄想简介
质料是社会生长的主要物质基础 ，质料立异是种种倾覆性手艺革命的焦点。因此 ，新质料研发手艺是体现一个国家科技生长水平的要害标记。
在美国 ，质料基因（Materials Genome）这一看法由宾夕法尼亚州立大学质料系教授刘梓葵 ，在2002年建设质料基因组公司时所提出。该商标注册于2004年 ，并于2012年被授权使用。2011年6月 ，经质料基因组公司和美国白宫科学与手艺政策办公室双方赞成 ，这个名字被“为提高全球竞争力的质料基因组妄想（MGI）”所接纳。
金融�；� ，美国政府意识到制造业是提升国家清静和竞争力的要害。而作为“先进制造同伴妄想”的主要组成部分 ，MGI提出了崭新的质料研发模式 ，为降低新质料研发本钱 ，周全提高先进质料从发明到应用的速率 ，坚持并强化其在焦点科技领域的优势职位涤讪了立异基础。
质料基因组这个名词的泛起有感于人类基因组妄想的乐成 ，但迄今为止并无特定的科学界说 ，仅作为这种新型质料研发模式的代称。然而 ，关于质料基因组的内部构架及实验目的则很是明确 ，即：通过融合盘算工具、实验手段、专用数据库三大�？� ，实现新质料研发由“试错法”向“理论展望、实验求证”模式的转变 ，从而抵达提高质料高级科学发明、降低研发本钱、缩短质料研发周期、支持先进制造和高新手艺生长的目的。
质料基因组妄想的要害在于盘算、实验、数据库之间的协作和共享。借力于信息手艺 ，建设包括高通量质料盘算、制备、表征、仪器装备、数据库、质料信息等新型共享平台 ，是互联网时代新的质料研究要领的焦点内容。
2.美国、欧盟和日本的质料基因组妄想
1.美国的质料基因组妄想及实验情形
美国主要由各相关联邦执行机构 ，划分就MGI妄想使命指标睁开详细妄想与安排。
2012年 ，美国国家科学基金会（NSF）宣布实验“设计质料—彻底改变未来（DMREF）”妄想 ，包括先进大数据科学与工程的焦点手艺研发等；2014年 ，由NSF支持的应用质料公司、南卡罗莱纳大学、美国国家标准与手艺研究院 ，以及白宫科学手艺办公室等几家单位 ，配合建设了“功效质料组合要领事情平台”。
2012年 ，美国国家标准与手艺研究院（NIST）致力研发顺应于MGI的新手艺、新标准及新检测工具；2013年 ，NIST宣布在未来5年内资助2500万美元 ，用于建设以芝加哥为焦点的先进质料研发商业体；2014年 ，NIST投资2500万美元 ，集中用于新兴工业部分研发与安排下一代盘算工具、数据库和实验手艺。
美国联邦政府于2013年宣布斥资2亿美元建设美国制造、轻质、现代金属三所新制造刷新研究院 ，以及下一代动力电子刷新研究院。2015年10月尾 ，美国国家经济委员会与美国国家科学与手艺政策办公室编写了新版《美国立异新战略》 ，在原有基础上增添了质料基因组立异手艺的生长 ，以支持新质料及制造工业的良性运转。
美国非联邦机构在起劲推动MGI妄想方面也施展着重着述用。2012年 ，来自美国质料学科和制造领域的31家组织机构 ，配合研发可供数据和知识共享的开放模子 ，用于加速新质料发明、制造和商业化 ，建设共享的质料数据平台 ，培训相关事情职员最新的质料设计/工艺知识。2013年 ，威斯康辛大学和佐治亚理工大学投资约1500万美元建设质料刷新研究院 ，同时团结密歇根大学共建质料刷新加速网络化平台 ，以及软质料建模与仿真“集成实验室”。美国高校、国家实验室和学术出书商等整体机构 ，配合建设了国家数据服务（NDS） ，以实现数据便捷输入与共享。
数据库建设是MGI的一个基础组成部分。2012年 ，麻省理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室开放了拥有1.5万相关质料的公众数据库；2013年 ，哈佛大学和IBM的科研职员建设了包括700万条数据的清洁能源质料性能数据库；2014年 ，康奈尔大学和杜克大学协力研发并提供共享的高通量质料数据库和开放软件。
盘算质料学是通过现实历程模拟和辅助质料设计来加速指导新质料的研发。在质料模拟仿真领域 ，开发出了诸如Autodesk Simulation Network、CAE等优异的仿真优化与设计工艺软件清静台；在辅助质料设计方面 ，开发出了诸如AFLOW、USPEX、ATAT等用于高通量盘算、晶体结构展望 ，以及热力学相图盘算的软件或平台。
教育培训是落实MGI妄想的主要环节。2012年 ，以大学质料委员会（UMC）为首的33家高校 ，有针对性地对证料领域学员举行了有关MGI知识教育培训；2013年 ，麻省理工、南卡罗来纳州大学等高�？沽送厦夥袽GI培训课程；美国质料研究学会发放了高通量质料科学白皮书。
2.欧盟的质料基因组妄想及实验情形
受美国MGI激励 ，欧盟以高性能合金质料需求为牵引 ，于2011年启动了第7框架“加速冶金学”（ACCMET）项目。项目组织了政府机构、大学、仪器装备装置商、质料需求企业等几十家单位的加入 ，以配合开发适用于块体合金质料研发的高通量组合质料制备与表征要领 ，旨在将合金配方研发周期 ，由古板冶金学要领所需的5～6年缩短至1年以内。2012年 ，欧洲科学基金会又推出总投资凌驾20亿欧元的“2012—2022欧洲冶金再起妄想” ，将高通量合成与组合筛选手艺列为其主要内容 ，以加速发明与应用高性能合金及新一代其他质料。
欧盟第7框架妄想下“纳米科学、纳米手艺、质料与新制造手艺”（NMP）主题研究的事情妄想 ，在工程纳米粒子的毒性研究、纳米质料的准确合成、多质料复合、自修复质料、高温电厂用先进质料、离岸风涡轮机叶片质料等领域安排了质料的建模和设计等相关研究。
欧洲科学基金会下的“研究网络妄想”设置了有关质料模拟的“质料重新盘算模拟先进看法妄想”和“生物系统与质料科学的分子模拟妄想”。前者致力于开发凝聚态质料在电子层级的“重新盘算”要领 ，后者关注开发盘算工具。
3.日本的质料基因组妄想及实验情形
日本也启动了类似于质料基因组的科学妄想。日本文部科学省和经济工业省妄想建设玻璃、陶瓷、合金钢等领域的质料数据库、专家库 ，来增进其协同立异能力。日本国立物质质料研究机构、工业手艺综合研究所、东京大学、东北大学等研究机构均设有专门的质料设计与模拟研究中心或团队。例如 ，日本工业手艺综合研究所下设盘算科学研究所 ，其主要研究偏向有纳米、能源与情形、生物等领域的模拟手艺以及集成模拟系统；日本理化学研究所接纳模拟和实验团结的要领 ，在高温钛合金、贵金属耐热合金、超等钢、纳米结构与分子开关等领域开展了深入的研发。
3.我国的质料基因工程及生长状态
1.政府部分和地方起劲推动质料基因工程生长
我国质料界一直在关注加速质料研发的新要领。美国宣布质料基因组妄想后 ，我国科学家连忙敏锐地捕获到该妄想所释放出的主要信息。在多位专家学者建议下 ，2011年7月中国工程院和中国科学院划分召开“质料基因组”钻研会 ，12月召开“质料科学系统工程”香山科学聚会；2012年12月和2013年3月 ，中国工程院和中国科学院划分启动“质料基因组妄想”重大咨询项目；2014年10月中国科学院向国务院报送了《实验质料基因组妄想 ，推进我国高端制造业质料生长》的咨询建议；2015年2月 ，中国工程院向国务院报送了《中国版质料基因组妄想》的咨询建议。工程院和科学院的报告 ，获得了党和国家向导人的高度重视和多次指挥 ，指示尽快启动质料基因工程研究。
科技部高度重视质料基因工程相关手艺的生长。“十二五”时代 ，在国家重点基础研究生长妄想（973妄想）、国家高手艺研究生长妄想（863妄想）中先后设立了30余项与盘算质料、质料制备与服役行为相关的项目。如2000-2015年 ，973计齐整连三期设立了与质料盘算设计和性能展望基础问题、质料先进制备加工共性要害手艺的研究项目；863妄想中设立了“多组分质料跨标准集成设计与准确制备手艺”、“基于质料基因工程的高通量设计、制备与表征手艺”等项目。国家自然科学基金委员会对证料设计、制备与表征手艺研究给予了一连的支持 ，大大增进了相关基础研究的生长。
质料基因工程也获得了地方政府的高度重视。2012年后 ，上海大学先后多次举行了海内及国际质料基因组工程学术讨论会、中美质料基因生长高层论坛等运动 ，获得了上海市的支持。2014年后 ，上海市、北京市先后建设了“上海市质料基因组工程研究院”（上海大学认真 ，上海交通大学等6所高校及中科院研究机构加入）、“质料基因工程北京市重点实验室”（北京科技大学认真）；上海市政府投入3.2亿元 ，重点支持上海大学等单位结构地方质料基因组工程研究与生长事情 ，推动中国质料基因组妄想的实验。上海、北京等地的开拓性事情 ，为我国质料基因组工程的启动和实验涤讪了主要的基础 ，有力地推动了相关事情开展。
2.我国质料基因工程取得的主要希望
质料基因工程的焦点内容是借助互联网信息手艺 ，生长、融合并共享高通量质料盘算、通量质料制备与表征及专用数据库资源。团结这一要求 ，我国作育了一批高素质的研究人才和科研步队 ，形成了一批重点研究基地 ，取得一批具有国际影响的新质料研发和应用效果。
我国具备了在电子标准举行质料大规模第一原理盘算和开发的能力；建设了以虚拟结构和数论要领为基础的晶格反演要领；建设了近1000种有用的原子间相互作用势库 ，并且原子标准的仿真模拟在国际上享有奇异的职位。
我国主要质料研究单位开发了一系列高通量质料制备与表征手艺 ，在质料微观结构剖析与高通量原位统计表征手艺等方面处于国际先进水平；我国在质料服役性能等效加速模拟实验要领与高通量表征评价手艺方面取得了长足的希望 ，在使用大科学装置举行高通量质料表征的实验手艺研究方面已经最先起步。
2011年 ，科技部组建了国家质料情形侵蚀野外科学视察研究平台 ，积累了大宗适用数据 ，并在三峡大坝、天宫一号等一系列国家重大工程建设中施展了主要作用；科技部启动建设“国家质料科学数据共享网” ，通过整合、重构天下质料科学数据 ，起源建成了较为完整的质料科学数据库。
面向质料设计盘算、先进制备与表征、数据积累等需求 ，我国建设了一批重点研究基地。现在 ，我国果真拥有P级以上盘算能力的超算中心有国家超等盘算天津中心、深圳中心、济南中心、长沙中心、广州中心及东北区域超算中心等。
3.我国质料基因工程实验面临的挑战
质料基因组手艺包括高通量质料盘算、高通量质料实验和质料数据库三个要素。我国在三要素各自建设以及三要素之间的协同方面 ，尚保存亟待解决的要害问题：
一是在质料多标准建模及专业算法和软件开发上还部分落伍于外洋 ，盘算软件主要依赖入口 ，在源头上制约了我国新质料的立异生长。
二是缺乏高通量质料合成制备平台所需的并行组合芯片与专用装备 ，高通量物性表征手艺滞后于先进国家。
三是我国的盘算用基础数据量缺乏以建成高通量盘算专用数据库；质料研发缺乏数据共享机制 ，盘算与实验数据碎片化征象严重；缺乏面向新质料发明的高效数据集成与数据剖析挖掘的大数据手艺。
4.推动我国质料基因工程实验的对策和建议
综上所述 ，我国的质料基因工程面临着基础设施平台不完善、要害手艺保存瓶颈、数据资源碎片化等问题 ，需要分条理、多角度地举行推动和建设。
1.建设国家层面的协调机构和协同立异机制
建议建设由科技部牵头 ，由工业和信息化部、国家自然科学基金委、教育部、中国工程院和中国科学院等相关部分的向导和专家组成“国家质料基因工程协调小组” ，围绕国家战略需求 ，凝练共性问题 ，制订手艺蹊径图 ，举行顶层设计 ，组织实验质料基因工程。
在运行机制的妄想中 ，应通过体制机制立异 ，营造有利于差别学科、差别领域、差别环节充分交流的情形气氛。
2.完善平台建设 ，突破要害手艺 ，培育树模基地
构建以应用需求为导向、支持高通量盘算与高效制备表征、服务于新质料立异的、开放共享的集成公共平台。
突破质料学要害手艺以及面向质料基因工程的数据库和新一代信息手艺 ，包括挖掘剖析、漫衍存储、交互协一律主要功效的大数据手艺 ，以及盘算机接口、数字综合处置惩罚、信息物理系统、云盘算、通讯网络、物联网等“互联网+”手艺 ，为质料立异研究提供智能化数据和信息支持。
组建若干树模、推广质料基因工程要害手艺的工业研究院 ，瞄准有迫切需求和明确市场远景的目的质料 ，形成高通量质料研发和工业化树模基地。
3.施展国家科技妄想项目的指导作用 ，推广质料研发新理念
在国家科技妄想质料领域研发项目的组织实验中 ，通过设立专项、重点项目等方法 ，指导科研职员投身于通用质料的高通量盘算、高通量制备与表征等偏向的研究。
勉励、支持项目肩负单位借助质料基因工程的研发理念和工具手艺 ，开展其详细的质料研发事情。