材料基因组计划
本帖最后由 机智的小蘑菇 于 2015-7-13 22:06 编辑材料基因组计划（又名Materials Genome Initiative），简称MGI。2011年6月24日，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"(Advanced Manufacturing Partnership,AMP)计划，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"(Materials Genome Initiative,MGI)作为AMP计划中的重要组成部分，投资将超过1亿美元。
"材料基因组计划"是美国经过信息技术革命后，充分认识到材料革新对技术进步和产业发展的重要作用，以及在复兴制造业的战略背景下提出来的。数据共享与计算工具开发对MGI的成功至关重要。先进材料复杂的物理与化学特性可以因不同的应用需要而相应调整，并可以在合成、生产和使用过程中改变。对这些特性的跟踪是一项非常艰巨的任务，MGI的努力还包括将术语、数据归档格式和指南报告标准化。
1.材料计算手段
目前，从电子到宏观层面都有各自的材料计算软件，但是还不能做到高效跨尺度计算以达到材料性能预测的目的；各个软件之间彼此不兼容；由于知识产权问题，彼此不能共享计算工具的源代码。在这方面未来的工作主要集中在以下几个方面：
（1）建立准确的材料性能预测模型，并依据理论和经验数据修正模型预测；
（2）建立开放的平台实现所有源代码共享；
（3）开发的软件界面友好，以便进一步拓展到更多的用户团体。
2.实验手段
（1）实验为弥补理论计算模型的不足和构架不同尺度计算间的联系；
（2）补充非常基础的材料物理，化学和材料学的数据，涉及材料的电子，力学，光学等性能数据，构建材料性能相关的成分，组织和工艺间内在联系，并建立庞大的数据库；
（3）利用实验数据修正计算模型，加速新材料的筛选及高效确定。
3 .数字化数据库建立
（1）构建不同材料的基础数据库、数据的标准化以及它们的共享系统；
（2）拓展云计算技术在材料研发中的作用，包括远程数据存储与共享；
（3）通过数字化数据库建设，联系科学家与工程师共同高效开发新材料。
4.研究重点
1 面向国家安全的新材料
（1）轻质防护材料
（2）电子材料
（3）能源存储
（4）生物替换材料
（5）密切注重与能源及电子行业相关的矿物（Pt，Te，RE等）
（6）积极开展能够替代稀少元素的相关新材料研发
2 面向人类健康与福祉新材料
（1）生物相容性材料（假肢，植入材料与器件，人工器官等）；
（2）防护人体受伤的防护材料
例如，关于防护脑损伤材料，在伊拉克和阿富汗战争中有36万人有创伤性，在美国普通民众每年有高达170万人次因平时的运动及车祸造成的脑损伤等，相应的医疗费用达600亿美元/年。
3 面向清洁能源新材料
（1）生物质能源转化用催化剂
（2）人工光合作用材料
（3）光伏电池材料
（4）能源存储材料
（5）汽车轻量化材料（10%重量下降可以节省能耗6-8%的能耗）
（6）混合动力、电动汽车及氢能汽车
4下一代劳动力培养
（1）改变单兵作战，强化“官产学研用”之间的协作与共享机制
（2）在材料开发领域，强化实验学家、理论学家、计算机人才和工程师之间的密切合作
（3）数字化数据的共享与计算平台的开放
（4）加强在高校的本科生和研究生中的交叉学科课程设置
（5）企业员工针对材料设计与模拟软件和相关程序的再教育
5具体分工
计算材料与设计化学计划（美国能源部，美国国家自然科学基金委员会）
1）高质量软件工具包，新算法、与已有工具包的兼容性
2）发展新的标征技术改善算法与软件
先进材料设计计划（美国标准化科学与技术研究所）
1）建立标准的基础设施、参考数据库和卓越计算中心
2）可靠的计算机建模与仿真材料的优化发展
3）密切协调与DOE和NSF的软件和设计的实验工具
能源效率和可再生能源下一代材料计划（美国能源部）
1）利用计算工具，以加速能源技术相关新材料的制造和表征。
2）制造过程中用新材料，具备新性能的复合材料系统和更低的制造成本，用于预测新材料空间和时间变化的建模和仿真工具。
国家安全与防御能力提升的基础/应用计算材料研究(美国国防部)
下一代劳动力（美国国家自然科学基金委员会，美国国防部）
协调“官产学研用”之间的合作，人员的培训与教育
6评价
MGI可以从现有的纳米技术协作项目中得到借鉴。美国国家纳米技术项目（NNI）在10年前建立，它针对1~100纳米范围内的材料，是MGI的合作项目，MGI的材料范围是纳米到微米级。
MGI可能会考虑加入NNI的纳米技术知识基础设施计划，该计划于2012年5月启动，旨在开发一个数字数据和信息框架，并加强科学和建模团体之间的协作。该计划已仿照美国宇航局的技术准备标准，定义了一组数据准备标准，力图提供传达材料数据的质量与成熟度的基础。
MGI还可以加入NNI和欧洲委员会的合作关系，以支持关于数据共享具体细节的大西洋两岸对话。数据共享是一种固有的协作活动，有着更快速推进材料科学发展的潜力。MGI可以使现有的项目更具活力，并成为共享所有尺度的材料信息的平台。
激励分享David L. McDowell：亚特兰大佐治亚理工学院材料研究所执行董事
MGI必须避免这样的态度，即“项目建成，所有目标就会实现”。对于合作和分享其数据与技术的科学家和工程师来说，激励措施非常必要。MGI必须要有一些东西，可以使每一个人受益。
数据共享的环境必须吸引和促进合作。利益相关者在检索现有数据之外还有着广泛的利益——他们想要发现新材料，并期待得到改善的产品。直观健康的网络环境，以及分散和有机的网络基础设施发展要比集中式的网络环境更能激励不同用户作出贡献。
社交网络策略可以使有着不同技能的用户追求共同的利益。双赢的方式应该被鼓励。例如，上传实验数据集可以换取建模工具，这会推动进一步建模。不过，需要规定明确的协议，以管理数据使用伦理等。
对于MGI基础设施的投资者来说，信息使用最大化有着最主要的吸引力。例如，从国家的同步加速器和中子衍射设施中得到的实验数据集，应该在最大程度上得到存档和使用，以供搜索与引用，大型超级计算机模拟器得到的数据也应如此。
开放获取的规则是可取的，可以遵循美国国家科学基金会所赞助的关于纳米级建模与仿真工具的nanoHUB项目，以及LAMMPS分子动态代码和DREAM.3D软件的范例。
MGI正在形成协同工作的风格，这提高了技术与个人所面临的挑战。材料科学家必须更加适应不确定性。他们必须放弃控制欲，相信他们的同事，抗拒那种“让所有事情都确定”的冲动。
从现有数据中得到新的科学成果需要集中资源。一些见解和突破只能通过特定的方式达到，其他方式无法完成。电子显微镜可以发现亚原子表面的特性，而光学显微镜可以显示光如何从亚原子表面上被反射。
结合不同来源的成果十分困难。错误通常来自实验或计算技术本身的特性。许多实验人员都了解当实验结果随着实验室条件的变化而变化时有多沮丧，甚至连那些基于理论的计算方法都可能会得到不同的答案。
与单纯将源于纯数据集的测量或统计错误进行综合相比，将不同来源的数据混合通常会带来更多的不确定性。若想从数据共享中受益，我们必须学会适应这种情况。
MGI使用者必须要适应的另一种不确定性是人为因素，即我们对创造原始数据的人们及其能力的看法。科学家应该习惯客观的怀疑。为了快速推进材料研究，我们需要假设每个贡献者都非常有能力，并让数据本身来说话。
只有当我们能够像给予MGI数据那样轻松并且自信地从MGI获得数据时，MGI的价值才能得以体现。
使模拟可再生Francois Gygi：加州大学戴维斯分校计算机科学教授
MGI所得到的最快速的回报应该来自于对材料结构模拟的共享。
数值模拟并不像其理论和计算机基础所显示的那样可靠和可再生。由于近似值以及使用参数数量的复杂性，它们经常会给出不同的结果。克服这些困难对于设计新材料来说是必不可少的。例如，来自对一种材料晶格缺陷形成模拟的预测，可以改善我们优化材料强度或者电子特性的能力。
数据只有在得到独立证实，并由不同的研究团队成功复制的情况下才是可靠的。自由地共享数据将使这种交叉验证成为可能。
在传播模拟数据时，研究人员必须谨记两点。首先，模拟软件应该可以公开访问，而不只是数据。软件供应商不能禁止原始数据或性能数据的。第二，通用数据格式和集中的数据库并不总是必要的。材料研发团队可以采用现有的框架来共享数据。在适度的投资下，研究人员可以在自己的服务器上发布数据，其他人也可以访问这些数据。通过鼓励特定领域网络工具的开发，我们将会减少数据交互检验和验证的障碍。
发掘多样性Peter B. Littlewood: 伊利诺伊州阿贡国家实验室物理科学与工程实验室助理主任
从同步加速器到电子扫描显微镜，纳米技术工具在信息革命中得到了磨炼。如今，在MGI中，我们需要通过扩大视野并纳入多种多样的材料来推进分子制造。
这一过程存在基本的障碍。尽管MGI的名字听起来雄心勃勃，但实际上，原子并不同于基因。生物基因组既是一种理论，又是一种执行算法。在材料科学中，量子力学可以使从编码到功能的完美翻译毁于一旦。
这种理论僵局仅仅反映了材料的多样性。组成或者结构上的微小变化可以产生全新的功能。
不过化学是系统性的。自从门捷列夫制定元素周期表以来，我们接触了材料结构和功能的不同形式，现在可以借助强大的计算机和高通量实验进行筛选。我们正在建造一个与材料种类、特性和功能相吻合的工具包。MGI将会扩大其范围。
7中国的现状
2012年12月21日，《材料科学系统工程发展战略研究—中国版材料基因组计划》重大项目启动会在中国工程院召开。会议由屠海令院士主持。项目组总顾问徐匡迪院士和清华大学原校长顾秉林院士出席了会议。才鸿年、崔俊芝、范守善、顾秉林、南策文、沈宝根、王崇愚、王鼎盛、王海舟、王一德、徐惠彬等近40位院士专家分别作为项目组顾问和课题组负责人出席了会议。
项目组组长陈立泉院士介绍了咨询项目立项情况和项目的课题设置情况。他希望通过两院院士通力合作, 依靠海内外的华人专家和留学人员，利用《新材料产业体系》等咨询项目的研究成果作好项目研究。为了与国家相关科技专项密切配合，提出分阶段提交咨询报告的模式，并初步确定了咨询项目的具体进度计划。汪洪研究员、谢建新教授、方忠研究员、鲁晓刚教授和欧阳世翕教授分别作了专题发言。在此基础上，各院士、专家深入探讨了当前在我国开展材料基因组计划研究的难点和重点，并就咨询项目提出了具体建议。
徐匡迪院士在会上作了总结。他指出，要进一步深刻认识中国版材料基因组计划的重大意义。建议以两院院士名义向国家提出建立三大平台的具体建议，加快提出中国版材料基因组计划阶段性咨询报告，并对咨询项目名称提出了具体建议。
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