一、《材料基因组计划战略规划》的背景及目标
新材料研发周期示意图
目前材料技术面临的一个巨大挑战是：新材料开发周期过长。特别是对于军用材料，通常需要十年以上的时间才能使其应用到实战装备上。这就使得新装备往往只能使用十几年前的老材料。MGI采用的方法是，寻求计算、实验和数据的独特无缝集成，推动新材料的成功发现和更快速地部署及融入商业化产品。这种方法将加速目前还只能是想象的新产品的开发和发现，如可用于军用车辆和人员盔甲的强大的耐冲击的阻尼材料；可轻易承受高冲击力的汽车用超轻质材料；或充一次电可供手机使用几周的薄膜电池材料。MGI的目标是：将发现、开发、生产和部署先进材料的速度提高两倍（由原来的10-20年缩减到5-10年），并将成本降为原来的一小部分。
二、《材料基因组计划战略规划》公布的重点研究领域及方向
该战略规划公布了9大关键材料研究领域下的63个重点方向，其中树脂基复合材料、关联材料、电子和光子材料、储能材料以及轻质结构材料这5类材料涉及到的37个重点方向对国家安全影响重大。
1. 生物材料
生物材料领域是一个价值数十亿美元的产业，最大应用是拯救生命和提高人类福利。生物材料主要包括：（1）人体组织和器官可再生生物活性材料；（2）仿生材料，包括像肌肉一样传递能量的材料、具有未知属性的自组装层状结构材料、自修复或自适应材料；（3）生物构造材料，包括利用生物材料，特别是利用细胞的基因操作能力去创建新材料；（4）生物系统新材料，如可应用于传感、再生、药物发现、或燃料生产的细菌或干细胞。MGI列出了生物材料的8个重点发展方向。
2. 催化剂
催化剂是一种活性材料，其反应位置及工作环境对所需产品的性能和选择性至关重要。催化剂是一项使能技术，对美国许多产业起关键作用，包括能源、化工和药品。例如，催化剂将有效裂解水，以廉价的商业规模彻底改变能源行业，并显著降低二氧化碳排放。MGI列出了催化剂材料的7个重点发展方向。
3. 树脂基复合材料
树脂基复合材料由于其优异的比强度和比刚度，最初应用于航空航天领域，目前正在快速商业化到其他行业,如汽车和体育用品行业。树脂基复合材料通过成分设计和结构设计，实现特殊应用，这种功能定制设计能实现许多其他功能，如电、热、光和/或磁性性能。MGI列出了树脂基复合材料的9个重点发展方向。
4. 关联材料
由于电子的相互作用，最近发现的许多新材料具有超常性能。电子结构是材料原子结构的一部分。关联电子材料包括高温超导体、自旋电子材料、磁性材料、巨磁阻材料、拓扑绝缘体等。理解和预测这些材料的行为，需要超越不考虑电子相互作用的传统模型和单一实体的模型。MGI列出了关联材料的7个重点发展方向。
5. 电子和光子材料
电子和光子材料对光电子产业的任何应用都是至关重要的。而光电子产业的复杂性和规模是独特的，改进电子和光子材料以及产品的制造工艺，对性能持续改进和保持美国国内技术领先优势是必要。MGI列出了电子和光子材料的7个重点发展方向。
6. 能源材料
能源材料应用广泛，工厂和住宅的能源存储设备需要满足大规模需求，电动汽车和便携式设备、医疗设备需要满足小、轻的需求。快速和高效的充电和充电稳定是先进能源系统的特征。MGI列出了能源材料的8个重点发展方向。
7. 轻质结构材料
轻质结构材料应用于航空航天、舰船、汽车、重型机械、铁路、家电和建筑工业领域，这些行业每年贡献近五千亿美元的美国国内生产总值。所有这些行业的产品发展和竞争力提升，都依赖于不断改进的和可负担得起的轻质结构材料。MGI列出了轻质结构材料的6个重点发展方向。
8. 有机电子材料
未来几年，众多碳基、可打印的柔性电子项目将能够实现100亿美元或更多的经济价值，影响到如照明、显示、传感、能量转换和储存、医疗诊断、生物相容电子、环境监测等许多领域。MGI列出了有机电子材料的6个重点发展方向。
9. 聚合物
聚合物在高科技应用和日常生活无处不在，几乎应用在所有依赖于高分子材料的关键部件或加工步骤的工业领域，包括能源、交通、航空航天、电子、生物技术、制药、包装、水资源管理。虽然目前高分子行业由石油聚烯烃主导，但原则上，利用一体化方法开发出的新的复杂结构聚合物分子将能够超越任何生物系统。MGI列出了聚合物材料的5个重点发展方向。
三、点评
美国已将材料技术的发展提升到国家战略的高度。MGI是继2001年“美国国家纳米技术计划”（NNI）之后，美国政府提出的又一个国家级材料技术发展计划。美国实施MGI和NNI计划，意在提前部署材料基础研究，抢占发展先机，从而稳固美国在国家安全、人类健康和福利、清洁能源、基础设施和消费品的世界领先地位。
MGI对于缩减材料开发时间和成本具有宏大的目标，这些目标的设立充分参考了早期探索工作的经验与教训，具有现实可行性。一旦实施成功，将对美国的各个领域产生重要影响，可大大提升美国国防实力和经济竞争力。MGI倡导的“计算建模、实验工具、数据库”一体化研究方法，可将关键军用材料（如发动机材料）的研发时间缩短到原来的一半甚至更短时间。随着进一步的推广使用，必将催生新材料的发现，提高现有材料的技术成熟度，对提升美军武器装备的性能，缩短研制周期，降低成本都将产生巨大的影响，已引起各国的高度关注。
延伸阅读：
美国“材料基因组计划”对我国的启示
一、美国材料基因组计划概要
2010年，中国超越美国成为全球第一制造业大国，在全球中低端制造业市场占据主导优势，同时，德国、日本以及韩国也在蚕食美国中高端制造业市场份额。为重塑美国全球制造业的领导者地位，同时应对金融危机带来的经济下滑、失业率上升等问题，美国总统奥巴马于2011年提出“先进制造业伙伴关系”计划，明确再工业化战略，通过高新技术支撑，打造先进制造业，以期实现制造业的复兴。作为“先进制造业伙伴关系”计划的重要组成部分，美国于2011年底推出了“材料基因组计划”，通过材料创新来满足新兴制造业对高性能新材料的需求，带动先进制造业的发展。美国材料基因组计划包括以下3个方面内容：
一是要打造全国性的“材料创新基础设施”。基础设施主要为材料学模拟设计软件、材料学实验工具、以及材料学分析计算工具。基础设施的精确化和共享化，可构成独立并互促的研发机制，模拟、实验和计算环节互不影响、独立进行，但是三者可互为依据实时互调，形成环形新材料研发流程，实现理论和实践全方位融合，缩短研发周期。
二是要构建全国性的“材料创新合作平台”。创新合作平台包括开放式的研发数据共享平台和科研人员合作平台。建模工具、计算工具、实验工具、实验进程和实验成果间的开放和共享，可促使官产学研的相关人员合作创新，在新材料研发过程中实现全方位数据实时共享，构成创新系统化、数据共享化、人才协作化的新材料研发体系。
三是要将新材料研发周期缩短一半。借助“材料创新基础设施”和“材料创新合作平台”，依靠试错法，即利用现有关于材料的理论知识和实践经验，通过调整研究材料配比，进行表征测试和检验，找出微观原子间的相互作用与材料宏观特性的因果规律，绘制材料基因图谱，用缩短一半的研发周期为不同应用“定制”相应的材料，将旧有的线性研发进程优化为环形。
从之前的“炒菜式”研发升级为有章可循的研发。材料的微观组织，如原子或分子的性质和排列、晶体结构和缺陷决定了材料的宏观性能，比如力学性能、电学性能、热力学性能等。材料基因组计划将材料的微观组织整理归纳为“材料基因”，对“材料基因”的模拟计算可获得材料的宏观性能模拟数据，替代旧有的“炒菜式”实验过程。
材料基因组计划构建了理论知识和实践经验协同互促的研发机制，可以降低研发成本，提高设计的成功率。材料基因组计划也可以实现定制式的材料快速供应机制，尽可能地满足工业发展的需要。根据制造需求提出材料的性能需求，再根据性能需求快速、准确地设计研发出所需材料。比如，新型“非矿产”能源材料的定制化供应，可以克服矿物资源分布不均及稀缺对经济发展的限制，满足人类日常生活、城市建设以及军事国防的发展需求。同时，材料基因组计划也可以巩固美国在高端制造业的领先地位，以新材料作为内推力推动高端制造业的复兴。
二、美国材料基因组计划合作推进机制的创新
1.联邦政府是计划引领者
一是负责制定发展战略。奥巴马政府于2011年出台“材料基因组计划”，从最基础的材料领域入手，支持全工业领域的改革升级，推动美国再工业化进程。四个联邦政府部门共同投资630亿美元，以推动“材料基因组计划”，借助产学研政通力合作，突破限制高端制造业发展的新材料研发瓶颈。
二是明确重点发展领域。联邦政府明确“材料基因组计划”中3个重点发展领域，分别是国家安全相关材料、人类健康和福利材料、以及清洁能源材料。国家安全相关材料主要是用来保护和武装军事力量的轻质保护材料、电子材料、储能材料、生物替代材料、稀土材料等；人类健康和福利材料包括生物相容性材料、防受伤的保护材料等，比如假肢和人工器官；清洁能源材料主要为石油替代材料，比如光伏材料、生物催化剂材料、动力电池材料等。
三是确定部门职责。美国联邦政府开展跨部门跨领域全面合作，使“材料基因组计划”与“未来工业材料计划”、“国家纳米技术计划”对接，确立全制造业领域联动的各项计划的推进。先进制造国家项目办公室（AMNPO）负责选定重点学科前沿研究领域并负责国家制造创新网络（NNMI）的管理工作，国家制造创新网络负责建立15个遍布全国的创新中心（IMI），创新中心负责开展新材料的具体研发工作。美国先进制造伙伴关系指导委员会（AMP Steering CommITtee）负责监管AMNPO的工作，美国总统科技顾问委员会（PCAST）和美国国家技术委员会（NSTC）是计划推行的总智囊团。
2.创新中心和高校是计划深耕者
创新中心是“材料基因组计划”具体工作的执行者。国家增材制造创新中心（NAMI）由位于俄亥俄州、宾夕法尼亚和西弗吉尼亚科技带的制造业领域的多方产学研政机构构成，汇聚10亿美元政府投资和4 000万美元社会筹资，重点研究可用于国防、航空、汽车和金属制造领域的增材制造，即3D打印。数字化制造和设计创新中心（DMDI）旨在提升数字化设计和制造能力，由美国国防部负责规划设计，将形成跨学科的研究团队，整合IT和制造解决方案，与企业界紧密合作，推动数字技术在供应链中的应用，构成美国制造商的“知识枢纽”。国防部负责的另一个创新中心“轻质化现代金属研发”创新中心，将于航空航天、金属冶炼等多领域的工业企业一起良性互促发展。“下一代电动力的研发生产”创新中心，整合了能源部、通用汽车公司、阿贡国家实验室的资源，共同助力下一代车用先进锂电池研发。由美国商务部国家标准与技术研究院（NIST）投资2 500万美元，将于2018年建成的“先进材料卓越中心”将促进美国国家标准技术研究院（NIST）和学术界、工业界在先进材料发展方面开展合作。
高校间的合作是突破技术瓶颈和构建分享机制的重要途径。威斯康星大学、乔治亚理工学院、麦迪逊大学合作建立的材料创新学院一直致力于材料创新加速网络的研发。美国劳伦斯伯克利国家实验室、麻省理工学院和分子间有限公司（Intermolecular）则致力于开发预测材料性能的软件，并通过美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）向用户开放。哈佛大学和IBM联合免费公布包含有230万个太阳能电池备选材料在内的最大太阳能材料数据库。麻省理工学院还开放了大量关于新材料创新和产业化的网络课程。
3.重点制造业领域企业是计划收获者
制造业企业不仅能助力新材料的创新研发，为新材料提供产业化转换平台，加快新材料的推广进程，还能为企业自身构建明朗的发展前景。清洁能源锂电池技术的不断成熟，成功实现特斯拉电动汽车的市场化，特斯拉赶超传统汽车生产商通用汽车，成为电动汽车业的龙头，垄断性占据全球电动汽车市场。3D打印材料研发的深入，显著拓宽了3D打印应用领域，打印品从饼干蔓延至零部件，还为Stratasys等3D打印企业迎来了难得的发展机遇。
三、对我国推动新材料研发的建议
我国新材料研发创新方面还存在较多不足，如数据库不健全、计算软件落后、专业人才匮乏、企业参与积极性不高等问题。因此，为加快我国从材料大国向材料强国的转变，必须积极推动材料创新，使材料创新成为推动我国制造业和经济增长的原动力。
1.成立指导协调委员会
目前，我国材料研究相关部门之间缺乏协调。为了加速新材料研发的速度，迫切需要成立包括政府、学术界和企业界在内的国家级指导协调委员会，支持不同部门、不同领域和不同地区的新材料团队之间的协同研发。加强前瞻性布局，从国家战略需求、人类健康和环境保护等领域需求出发，选择具有代表性的材料，开展基因组技术的示范性应用研究，以推动材料科学健康可持续发展。
2.完善材料数据库建设
创建大规模开放数据库是材料研究的精髓。而我国材料基础数据库还比较落后，大量的材料数据都分散在各个单位或个人手中，不同单位之间的数据库彼此孤立、缺乏共享。因此，一方面要保存好现有实验数据，例如，从国家同步辐射、中子衍射和大型超级计算机模拟器等得到的数据，逐步建立国家级数据库公用平台；另一方面要完善数据库共享机制，打破不同单位和部门之间的利益界限，加强成果利用效率，避免重复投入和研发。
3.研发计算模拟软件
计算模拟软件是材料基因组计划的基础，而我国计算模拟软件的研发能力较弱，大多数计算模拟软件都是从国外购买的，几乎没有自主知识产权的通用软件。国外软件不仅售价较高，而且我们无法得到基础性数据，这一情况严重制约了我国材料基因组计划的开展。因此，我国应积极开发材料集成计算与模拟工具，研发具有自主知识产权的通用程序包，摆脱国外软件垄断，抢占材料基因组计划的制高点。
4.加大资金支持力度
美国基因组计划实施2年多来，已累计投入数亿美元支持学术界、产业界和联邦机构的项目，极大地推动了新材料和新技术的研发。为推动我国材料研发发展，一方面，我国应以国家自然科学基金、国家“863”计划和国家“973”计划等项目为依托，加大对材料基因组技术的资金支持；另一方面积极筹建若干个材料研究中心，注重多学科交叉融合，组建科研大团队，并以此为载体大力发展我国材料基因组计划。
5.积极培育复合型人才
专业人才的匮乏正制约着我国材料基因组计划的推进。首先，有条件的高校可以加强交叉学科的课程设置，打破分散学科之间的障碍，大力培养新型人才，为我国材料基因组发展提供智力支持；其次，加强企业员工的再教育，开展材料设计与模拟软件和相关程序等相关培训，提高员工素质；再次，吸引国内外一流科学家来华合作研究和学术交流，培养材料基因组研究领域的创新型研究人才，形成一支多学科融合的协同创新团队。
6.强化官产学研用联系
新材料研究要通过政府、高校及企业的合作来强化制造业优势。而我国“官、产、学、研、用”之间的联系较少，企业参与积极性不高，使得产品的推广非常困难。首先，在材料开发领域，政府应积极引导，大力提倡以应用为背景的材料研究与开发；其次，加强科研单位与企业界之间的合作，促进成果转化，提高先进材料的开发速度；再次，支持企业采用计算材料设计新技术，促进材料设计方法和工具的进展。
7.加大知识产权保护
材料数据获取过程比较复杂，且数据相对分散，具有很强的知识产权属性。单位或个人因知识产权得不到保护而不愿分享，彼此不能共享计算工具的源代码。数据共享是大势所趋，因此，一方面应积极建立开放的平台实现源代码共享，并通过唯一标识来保护数据的知识产权，防止共享数据被滥用；另一方面应积极制定相关规章制度和法律条文，保护资源和数据共享，加大对侵犯知识产权的打击力度，以保证材料数据的私密性和公开性的协调统一。
8.强化国际交流与合作
美国材料基因组计划实施2年多来，政府、学术界和工业界广泛参与，新材料的研发进程明显加快。我国应迅速行动起来，抓住这次重大科学计划的有利时机，构建材料创新平台。通过加强国际交流，与国际上先进的实验室开展合作，建立联合研究中心等方式，逐步形成国际影响力，推动我国材料研发水平的全面提升。 
