材料芯片与材料基因组

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1、SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY课程论文论文题目：《材料芯片与基因组》第一章材料基因组计划1.1提出背景金融危机之后，美国政府意识到仅靠服务业已无法支撑美国经济走出泥潭，必须重振制造业。美国制造业的振兴不是传统制造业的复兴，而是新兴制造业的培育，其中建立在材料科学基础上的新材料产业是重点之一。美国科学院和工程院共同设置的国家研究理事会在2008年发表了题为《集成计算材料工程》的报告。报告明确指出了传统材料设计的方法和系统面临的问题：①现代的计算工具已经从根本上大大缩短了新产品设计的时间，材料设计却没有相似的可靠而普适的计算工具，使材料设计主要靠试验，从而导致材料

2、设计远远落后于新产品设计；②太长的材料设计周期和低成功率使得新材料在新产品中的使用越来越少，从而导致非最佳的材料被用在产品中；③用于产品的材料性能欠佳而成为制约产品性能设计的瓶颈，造成恶性循环。应对美国提出的材料基因组研究计划，对我国如何规划、开展实施自己的科学计划提出建议并进行深入的研讨，在中国科学院和中国工程院的推动下，于2011年12月21—23日在北京召开了S14次香山科学会议。在此前召开的由两院部分院士参加的筹备会上，大家认为：“材料科学研究成分—结构—性能之间的关系，从新材料的发现、合成、性能优化、制备、应用、回收再利用，既有基础科学，又有工程科学，是一个系统工程。”因

3、此，一致同意把那次会议定名为“材料科学系统工程”香山科学会议。结合我国的国情，材料界的专家学者提出建设发展符合中国材料领域的“材料科学系统工程”，具体包含如下建议：1）共用平台协同建设。建立几个集理论计算平台、数据库平台和测试平台“三位一体”的“材料科学系统工程中心”，结合国家大科学工程设施，集中国内材料计算与模拟领域优势力量，通力合作，跟上并引领国际材料领域新一轮发展的浪潮。2）重点材料示范突破。选择几项国家急需的、战略需要的、国内有良好基础的结构材料和功能材料作为示范突破，通过与平台建设相结合，进行演示示范，为更大范围的推广积累经验。3）产业链条协同创新。成立一个包括政府机构、

4、科学家和产业代表在内的指导协调委员会，全面协调从材料基础研究、软件开发、数据库建立、测试平台直至产业化的各项工作，以充分发挥我国社会主义制度在统筹科学研究和产业化革命的优越性；建议有条件的教育机构开设相关课程。1.2基因组计划1.2.1基本内容从宏观上讲，所谓材料基因组可以理解为反映材料某种特性的“基本单元”及其“组装”。基本单元是指能直接反映材料性能差异的最小物质单元，不同材料基本单元是非唯一的，可以是组成物质的任何自然存在的原子、分子、电子、离子、单一相等物质粒子，也可以是这些物质组合而形成的团簇、单元或组合相。而组装是指将这些相同或不同的基本单元以某种工艺或技术结合，形成大尺

5、寸材料。美国“材料基因组计划”试图创造一个材料创新框架，以期抓住材料发展中的机遇，重点包括以下3方面的内容：计算工具平台、实验工具平台和数字化数据(数据库及信息学)平台。如图1所示：图1材料创新框架材料基因组技术包括高通量材料计算模拟、高通量材料实验和材料数据库三大组成要素；其中材料计算模拟是实现“材料按需设计”的基础，可以帮助缩小高通量材料实验范围，提供实验理论依据；高通量材料实验起着承上启下的角色，既可以为材料模拟计算提供海量的基础数据和实验验证，也可以充实材料数据库，并为材料信息学提供分析素材，同时还可以针对具体应用需求，直接快速筛选目标材料；材料数据库可以为材料计算模拟提供

6、计算基础数据，为高通量材料实验提供实验设计的依据，同时计算和实验所得的材料数据亦可以丰富材料数据库的建设。1.2.2高通量材料计算模拟材料基因组技术中所指的高通量计算，是指利用超级计算平台与多尺度集成化、高通量并发式材料计算方法和软件相结合，实现大体系材料模拟、快速计算、材料性质的精确预测和新材料的设计，提高新材料筛选效率和设计水平，为新材料的研发提供理论依据。其中并发式材料计算方法包括第一原理计算方法、计算热力学方法、动力学过程算法等，跨越原子模型、简约模型和工程模型等多个层次，并整合了从原子尺度至宏观尺度等多尺度的关联算法。1.2.3高通量实验“材料高通量实验”是在短时间内完成

7、大量样品的制备与表征。其核心思想是将传统材料研究中采用的顺序迭代方法改为并行处理，以量变引起材料研究效率的质变。作为“材料基因组技术”三大要素之一，它需要与“材料计算模拟”和“材料信息学/数据库”有机融合、协同发展、互相补充，方可更充分发挥其加速材料研发与应用的效能，最终使材料科学走向“按需设计”的终极目标。当前，即使在材料计算模拟技术领先的欧美国家，由于受到目前计算能力、理论模型和基础数据的限制，绝大多数材料计算结果的准确性还远不能达到实验结果水平，难以满足实用要求