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　　在美国2012年财政预算中，新增了1亿美元用以支持一项名为“材料基因组”的创新计划。这个试图揭示物质构成、不同元素排列与材料功能之间关系，进而实现有目的设计新材料的科学工程，有着更强烈的实用和需求背景，也是美国为保持其在先进材料及高端制造业领域领先地位的一大举措。本报记者专访我国材料研究专家、中科院上海硅酸盐所江东亮院士，请他介绍这项继人类基因组计划之后，又一重大的科学工程项目。

　　——编者

　　问：什么是材料基因组？材料基因组计划和人类基因组计划有相似之处吗？

　　答：“材料基因组”一词，应该是受了“人类基因组计划”极大的影响。这两个计划虽然针对的对象完全不同，但是其最大的相似点是两者都是从对研究对象最基本组份（一为核苷酸-基因-细胞，一为原子-分子-化合物）的了解出发，来试图更多地了解“人”和“材料”，或者可以说，材料基因组和人类基因组这两大科学计划存在内在逻辑上的关联。从材料来讲，只有知道元素不同的排列组合以及它的性能，才能发展出的新的材料。原子分子不同的排列组合必然导致功能上的巨大差异。如同人类基因序列上的不同排列会导致各种疾病，材料元素组合上的缺陷，也必然会对最终形成的材料本身的功能带来巨大的差异。材料学家希望尽可能做到材料缺陷最少，但也可能因为一些意想不到的排列产生“突变”，形成一种新的材料。

　　例如能把硬度和韧性好的两种材料的优点结合起来，就能形成一种新的更好的复合型材料。火箭和导弹的头部所用的基本都是复合材料，导弹钻入大气层时因为速度太快，表面摩擦可产生约3000℃的高温，一般材料很难耐受如此高温，所以必须创造一种新的材料。最早的办法是让这种材料“出汗”，一出汗让材料冷却下来，所以叫“发汗材料”，但是发汗材料因过重而不合适，后来发展到碳纤维复合材料，既耐高温，又有强度，表面涂层又能抗氧化，即使烧掉，结构还在。

　　另外，材料基因组还要结合已知的、可靠的实验数据，用理论和计算模拟去尝试发现新的未知材料，并建立其化学组分、晶体结构和各种物性的数据库，利用信息学、统计学方法，通过数据挖掘探寻材料结构和性能之间的关系模式，为材料设计师提供更多的信息。简言之，我的理解，实施材料基因组计划是希望从根本上加深对物质构成的认识。

　　问：与传统的新材料研制相比，材料基因组会带来哪些变化？

　　答：现阶段材料研发大致是从实验室研发到产品这样一种直线型的模式，周期很长。据统计现在一种材料从研究开发到形成商用产品，平均周期是18年，通常一种新药的整个开发周期是10年，新材料的研制周期显然要长得多。

　　而材料基因组的做法是把传统的研发到产品这样一种过程整个翻转过来，即从应用需求出发，反求倒推到符合相应结构功能的材料。这样一种颠覆性的改变意味着需要对各种材料有足够多的认识和积累，包括结构组成、性能、工艺优化等。我们现在可以用计算机模拟温度、湿度、气氛、应力、强度等参数的变化，来获得优化工艺和性能，这样就大大加快了研发进度，通过计算机模拟工艺进程，改变某些参数，就能得到相应的结果，这样可以少走弯路。因为试验阶段是最花时间和精力的，耗费也最大。

　　这些手段和条件方面的进步使得新材料的产出周期缩短成为可能。所以“材料基因组计划”很重要的目标之一就是要把新材料的产出速度至少翻一番，即从18年左右的周期缩短为9~10年。

　　问：您刚才提到，材料基因组中很重要的一点是利用已知元素的特性来有目的地改变材料性能，材料学家是怎样做到这一点的？

　　答：举个晶体的例子。一般晶体（即人们俗称的宝石）都是天然的，现在人工可以合成和天然晶体相仿的宝石，即所谓的人工晶体。比如人们已知钻石是碳的立方晶型的结构，那么在人为制造的几千个大气压和2000℃的环境温度下，就能把像石墨一样黑黑的碳元素重新组合成晶莹剔透的金刚石。人工制造晶体需要对天然晶体的结构研究得非常清楚，因为不同的结构、元素有不同的性质，有意识地改变这些特性，就能发明一种新晶体，或者发现晶体的某种新功能。比如硅酸盐所的拳头产品BGO（B=铋G=锗，锗酸铋），就是一种应用在医疗仪器CT里面的人工闪烁晶体。这种晶体能够接受和感知射线的强弱，如射线照过身体，身体某部位有什么问题，吸收程度不一样，就会在接受版上显示影像，医生根据影像强弱和形状就能得知被检者的身体状况。如果把铋换成其他物质，这种人工晶体的功能就不一样了。

　　同样，搞清楚铋、锗这些元素在晶胞里的位置也很重要，有时候量和位置不同，性能也就大相径庭。材料学家通常用晶胞位置，晶格间、晶胞间的空隙大小来定位元素在晶体中的位置，譬如，许多激光晶体就是用YAG（钇铝石榴之石）掺稀土钕（Nd）而成。钕是稀土中重要的一种，材料学家需要知道每种元素变成离子状态的尺寸大小，才能将元素钕离子掺进YAG这种化合物中去。如果想要换一种性能，也许只要改变不同掺杂的元素就可以，这就是根据应用需求来带动材料的研发。而材料基因组计划的实施无疑将加快优化工艺的速度、促进优化后新材料的共享。

　　问：从已有的材料看，材料基因组和新能源的关系很密切，为什么？

　　答：因为新能源问题说到底就是材料问题：譬如电动车最基本可选用的有锂电池、太阳能电池、燃料电池等等，而这些没有好的材料和工艺就做不出来。全世界有无数人在研究锂电池两极的材料，到目前还没有很好解决。能源材料还有个效益问题，不是可以做出来就完事了，而且价格也不能过高，否则人家用不起。现在新能源车比汽油车价格高，买的人就少。另外充电也是个问题。如果材料上能取得某种突破，或许能解决现在新能源车推进中的一些实际而棘手的问题，这样新能源车的推广也就容易多了。

　　问：奥巴马最近提出要复兴美国的制造业，其中也专门提到材料基因组计划，如此重视材料，深意何在？

　　答：从大的方面来讲，新材料产业已被世界公认为最重要、发展最快的高新技术产业之一。新材料与信息技术、生物技术共同构成了当今世界高新技术的三大支柱，成为产业进步、国民经济发展和保证国防安全的重要推动力。因此，工业发达国家都高度重视新材料在国民经济和国防安全中的基础地位和支撑作用，为保持其经济和科技的领先地位，都把发展新材料作为科技发展战略的优先目标，在制定国家科技与产业发展计划时，无不将新材料列为优先发展的关键技术之一，给予重点关注。

　　除了上述背景外，美国提出“材料基因组计划”还有一个现实的目的，就是希望通过材料科学技术的带动，能使美国继续保持其在核心科技领域的优势，提升其先进制造业能级，从而促进美国制造业的复兴，保持美国在全球的竞争力。有人指出，美国最近提出的再工业化或复兴制造业，不会是简单地回到传统的制造业，他们所谓的制造业多半是基于高新技术支撑的先进制造业，其中一定离不开先进材料的支持，而材料基因组计划的实施无疑会对此起到重要作用。

　　问：国内学术和产业界对“材料基因组计划”怎样看？会有一些具体行动吗？

　　答：这确实是一个值得追问的话题。简单回顾一下十多年前的“人类基因组计划”，中国尽管在后期也有少量的参与，但是坦率地讲，并没有能抓住那次重大科学计划的先机。因此，面临比“人类基因组计划”更为重要和广泛的“材料基因组计划”，我们不能再次丧失历史机遇。事实上，国内有关部门已经在这方面有所行动。去年12月21日，以“材料科学系统工程”为主题的香山科学会议在北京举行，会议名誉主席、两院院士师昌绪先生提出：“发展制造业，材料是基础，计算材料科学有很强的生命力。”师昌绪先生提议建立材料领域的两个“组学”，一个是结构材料组，一个功能材料组，从人工晶体（中国在该领域的创新方面有自己的特色）出发，对晶体的结构、生长工艺、应用方面做一些系统考虑。

　　归根结底，就是对新材料有更快速度的要求，加快新材料、新工艺的出现。中国工程院咨询服务中心主编的《工程科技与产业政策信息》也在去年编印了两本介绍“材料基因组计划”的专辑。可以说，国内材料学科的领军者已经充分意识到这件事的重要价值并开始有所行动，但就面上来说，还处于调研起步阶段，谈不上有整体的设计和考虑。而产业界也未见有什么反应。这是令人忧虑的。

　　问：中国如要推动实施“材料基因组”计划，最需要做的是什么？上海在这方面有什么优势？

　　答:我在“十二五”规划听取意见的时候已经提出过，最重要的是建立材料科学的平台，上海是有这个优势的，这个平台包括材料基因组计划所需要的数据库、工艺流程、大量的原始数据以及国内外同行做成功的大量材料的案例。比如我所在的中科院上海硅酸盐研究所和国内相关研究所研究各种晶体，在通过大量掺杂数据和由此产生新晶体和新功能方面有不少数据，如果别人能够查阅到这些数据，就能避免将已经探索过的路再走一遍。

　　要公开自己积累的数据不是那么容易的，但为了材料基因组的这项大计划必须统一认识，放弃某些既得利益。美国麻省理工学院和劳伦斯·伯克利国家实验室在奥巴马总统宣布材料基因组计划后就宣布向公众开放了15000种材料的相关数据。

　　所以，第一步是公开数据并建立公共数据库，第二步则是利用已知的数据用计算机进行模拟和优化。我们现在用的计算机软件大多是向国外购买的，现在做一些材料的应力分析，还是要去购买国外软件包。公共数据库建不起来，效率是提不高的，因此，需要有大批计算材料科学和软件科学家的积极参与。

　　另外，中国现在还面临一个企业参与缺失的问题，现在的情况是我们的研究产品要推广，愿意接受的企业寥寥，因此要在建设这个平台的基础上，让企业参与进来，在这方面，民营企业的创新热情可能比一些国企高，他们会更注意研发单位的新产品，愿意和研究单位合作。