中国材料基因组工程：从革命到合作创新，加速材料技术插入示范

工程10（2022）10意见和评论中国材料基因组工程展望谢建新，苏燕静，张大伟，冯强北京科技大学材料基因组工程前沿创新中心北京科技大学先进材料与技术研究所先进金属与材料国家重点实验室，北京100083在全球新一轮科技革命和产业变革中，我们面临的最大瓶颈之一就是缺乏足够的材料技术。人们迫切希望在材料研究与开发（R D）领域能有一场重大的革命，而不是渐进和缓慢的发展[1]。在此背景下，材料基因组工程（Materials Genome Engineering，MGE）得到了迅速发展，其关键技术和工程应用已成为材料研究的前沿[2]。MGE的目标和使命是建立合理设计、高效实验、大数据技术在材料研发、制造、应用全链条深度融合、协同创新的研发新模式和技术新体系，显著提高研发效率，促进工程应用，满足经济社会发展对新材料日益迫切的需求。MGE是一项系统工程，它从多个方面引发材料科学与技术的革命，包括传统材料研究范式的转变，颠覆性创新技术和设备的开发和应用，以及具有创造性思维和技能的下一代材料人才的培养为加快先进材料技术和产业发展，增强创新能力和国际竞争力，中国对MGE研究进行了全面规划，依靠前沿技术研发、创新平台建设、高素质创新人才培养和工程应用推广的一体化实施。国家重点研发项目--微电子工程关键技术及支撑平台国家科技部于2015年设立了MGE关键技术及支撑平台该项目旨在建立三种类型的领先平台（即，计算，实验和数据库），以支持MGE研究和合作创新，以及四个关键技术（即，高通量材料计算和设计、高通量材料处理和表征、高效材料服务和失效评估以及材料大数据技术）。为了促进MGE方法和技术的发展和应用，能源材料、生物医学材料、稀土功能材料、催化剂和特种合金等五大类材料是加速材料插入示范的重点该项目的一个独特之处在于其强调材料加工技术的优化和材料服务性能的高效评估技术的发展该项目的主要任务如下：(1) 通过高通量和自动化工艺算法快速发现这些任务的总体目标是将高通量材料计算与ICME相结合，为合理的材料设计建立技术基础和支持工具，同时利用中国(2) 基于薄膜制备、三维（3D）打印、扩散倍数、定向凝固和梯度热处理等，开发用于不同形式（薄膜、粉末和块体材料）材料制造的高通量技术和设备;开发用于表征材料成分和结构的高通量实验技术，通过利用适合于快速处理从先进科学设施（例如，同步加速器辐射源和散斑中子源）。这些任务的总体目标是开发革命性的高通量实验技术，用于高效验证合理的材料设计，以及快速筛选和优化材料成分、加工和微观结构。(3) 开发先进材料工程应用的关键技术，包括多尺度模拟、高效评估、等效加速试验和材料使用性能https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.12.0082095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engJ. Xie，Y. Su，D. Zhang等人工程10（2022）1011失败的行为。这些任务旨在解决与材料服务和故障研究相关的长周期和高成本等瓶颈问题，并代表了中国MGE计划独特的工程应用导向特征(4) 开发具有数据自动采集、归档、挖掘和应用功能的智能数据库，服务于高通量计算和实验，实现海量材料数据的自动化处理和积累;建设集数据采集、共享服务、数据分析、先进材料发现、工业新产品设计等功能于一体的材料数据平台，推动大数据技术和人工智能在先进材料研发中的应用。地方政府和企业积极投资在国家重点研发项目的指导下，地方政府和企业积极投入和参与MGE研究。例如，2017年，北京市政府和中国科学院共同投资5.7亿CNY，建设了一个大型MGE研究设施。北京市政府还投资5亿CNY成立了北京材料基因组工程先进创新中心，致力于邀请世界一流的材料科学家合作开展跨学科的MGE研究和教育。2017年，深圳市政府投资7.1亿元CNY建设了大规模的科学设施，用于高通量的材料组成和结构表征。自2018年以来，云南省投入4亿多元CNY建设了MGE研究平台，以支持其稀有贵重金属旗舰产业，将国家重点项目的技术突破转移到新产品的研发中。此外，上海、广东等省市以及众多大型企业为MGE项目和平台提供了大量资金。中央政府引导和支持的协同创新框架国家重点工程支持材料遗传工程关键共性技术、软件和装备的研发，构建覆盖材料设计、研发、制造和应用全链条的协同平台。在中央政府的指导下，地方政府和行业部门正在成为推动MGE关键技术和设备工程化应用的关键驱动力。为支持MGE关键技术和应用的可持续发展，中国非常重视MGE技术研发和标准制定的协调。2019年，中国测试与材料学会（CSTM）成立了MGE标准委员会，并发布了第一个全球MGE专业标准[3]，规定了MGE数据库中数据的内容，结构和基本信息，为数据驱动方法在材料研究中的广泛应用奠定了基础。新的文化和环境，以促进MGE研究从2017年开始，中国工程院启动了MGE全国年度论坛，以推广MGE概念，加强国际学术交流，促进MGE研究所需的基础理论，先进技术和关键设备的开发和应用。此外，MGE研讨会每年在由中国材料研究学会（C-MRS）组织的中国材料会议，以及由中国金属学会（CSM）组织的年度MGE系列研讨会。许多大学重新设计了本科和研究生课程，现在提供计算材料，材料信息学，高通量材料实验和材料大数据技术，这是培养MGE研究专业人才的MGE技术对工程应用的重大影响经过五年的发展，大学、研究所、行业和客户之间的合作不断加强，形成了协同效应，开展了MGE的基础研究，并致力于其潜在的工业应用。近年来取得了一批创新性的研究突破，其有效性在各种工程应用中得到了体现，并呈现出良好的发展势头和产业化前景。根据矿物、金属和材料学会（TMS）于2019年发布的题为“创建下一代材料基因组计划工作人员”关键通用技术、软件和设备的研发许多高通量，并发，自动化和多尺度计算的软件程序已经开发的MGE研究。在高吞吐量并发计算中，吞吐量可达104这一过程部署在一个超级计算机平台上，并已开放共享。用于不同形式材料的高通量处理技术和设备（即，薄膜、功率和块体材料），以及用于材料热处理、固化和工艺优化的高通量实验技术。为了更有效地评估复杂环境下材料的使用性能和失效，人们开发了多尺度、跨维的算法最后，建立了一个集成的、可扩展的数据框架，包括数据采集、数据库和数据挖掘，以实现MGE概念对复杂材料数据集的个性化描述、方便组合和挖掘分析[5]。先进材料先进材料的发展和工业化的一些典型例子如下。一种新型高温大块金属玻璃（作为另一个实例，在TiZrHfNb高熵合金中的间隙元素之间发现化学短程有序。有序间隙化合物可以提高合金的强度和延展性（其通过改变位错的剪切模式，使金属材料的位错密度分别提高了48.5%和95.2%，为金属材料的强韧化提供了新的思路[7]。在另一项研究中，发现锥形位错是镁（Mg）合金中的有效塑性载体。锥位错的形核和滑移可以J. Xie，Y. Su，D. Zhang等人工程10（2022）1012通过提高外加应力和减小晶粒尺寸促进镁合金塑性的提高，为高韧性镁合金的发展提供了新的技术途径[8]。又如，通过钠（Na）和银（Ag）的合金化以及微量元素铋（Bi）的掺杂，开发出了具有高效白光发光的稳定无铅双钙钛矿Cs2AgInCl6，打破了近半个世纪以来白光荧光粉效率极限的记录，为无铅双钙钛矿发光材料提供了新的研究策略[9]。此外，还提出了一种基于这些模型，下一代高强度（即，高达800 MPa的机械强度）和高导电性（即，导电率高达50%的国际退火铜标准（IACS）[10]铜合金已经被开发用于制造大规模电路。此外，还采用高通量实验和筛选方法，开发了苯和乙烯液相烷基化的高性能催化剂和具有MFI结构和形貌的新一代纳米分子筛，并已大规模工业化，产生了显著的经济效益。中国MGE的未来展望未来10-该计划的主要目标将集中在四个方面。一是关键共性技术开发，包括高效材料计算方法及软件、高通量/自动化/智能化材料实验技术及装备、材料大数据技术、材料研发智能化技术等第二个方面是构建包括ICME平台、数据库和大数据技术平台在内的MGE基础设施和创新平台，以及材料设计、加工、表征和评价的技术创新平台。三是MGE关键技术在新兴先进材料和高端关键材料领域的广泛应用，推动传统试错材料研究模式的转变。第四，将MGE模块纳入中国大学材料科学与工程课程体系，培养大批具有丰富知识和技能的创新人才。引用[1] 谢克特曼湾当前材料科学与工程面临的挑战。In：2018世界科技创新论坛; 2018年8月10日至12日;中国北京; 2018年。[2] 先进材料集团。材料基因组计划的全球竞争力。华盛顿特区：白宫科学和技术政策办公室，2011年。[3] WangH ， Zhang LT ， Yang ML ， Su YJ ， Liu Q ， Xiang XD ， et al. T/CSTM00120- 2 0 1 9 ： 一 般 规则为材料基因组工程数据中国标准北京：中国测试与材料学会;2019。 中文.[4] 矿物、金属和材料协会（TMS）创造下一代材料基因组计划的 劳动力。匹 兹 堡 ：TMS; 2019年。[5] 苏永军，付高清，白毅，蒋翔，谢剑侠。中国材料基因组工程研究进展。《金属学报》2020;56（10）：1313-23。 中文.[6] 李明生，赵世福，陆忠，平田，温平，白惠英，等。组合法制备高温大块金属玻璃。Nature 2019;569（7754）：99-103.[7] 雷志，刘霞，吴勇，王宏，姜胜，王胜，等。通过有序氧络合物增强高熵合金的强度和延展性。Nature2018;563（7732）：546-50.[8] 刘宝英，刘芳，杨宁，翟晓波，张丽，杨勇，等。锥体位错介导的镁合金大塑性。Science 2019;365（6448）：73-5.[9] 罗军，王霞，李胜，刘军，郭英，牛刚，等。无铅卤化物双钙钛矿的高效稳定的暖白光发射。Nature 2018;563（7732）：541-5.[10] Wang C，Fu H，Jiang L，Xue D，Xie J. A property-oriented design strategy forhighperformance copper alloys via machine learning. npj Comput Mater 2019;5（1）：1-8.