材料研究也有DNA?揭秘我国材料基因组工程研究

2015年05月04日 来源： 解放日报

    汽车尾气排放，人见人嫌。但很少有人知道，它是不少材料科学家眼中的“宝贝”——测定可知，刚排放的尾气温度高达500摄氏度，排气管壁温度也有100摄氏度以上，与周围常温的温差极大。若能发明一种特殊热电材料，依靠温度差发电，用来做成排气管组成部分，不久的将来，是不是满街的污染源，都能成为新能源？

　　事实上，这看似天马行空的想象，是上海大学张文清教授领衔的课题组正在探索的。

　　“很多时候，人类科技发展的脚步，往往囿于材料的性能”，一位美国科学院院士这样说。反之亦然，材料领域的不断突破，也成为新技术新理论诞生的重要推进力量。

　　如今，材料研究最前沿领域的重要方法论——材料基因组工程，正引领着越来越多研究人员，以更短的时间、更低的成本，取得与我们生活息息相关的材料新发现。这其中，也包括张教授的热电材料项目。

　　这几天，“材料基因组工程”成为国内科学界热词。由上海大学牵头多家高校院所的上海材料基因组工程研究院揭牌；　上海交通大学材料基因组联合研究中心成立；中科院上海硅酸盐所“无机材料基因科学创新中心”正式运行……

　　基因，历来是生物遗传学上的概念，材料基因组工程研究，DNA在哪里?国家、上海集中发力材料基因组工程研究，又有何背景？让我们一起走近“材料基因组工程研究”。

　　故事

　　从一只小小灯泡说起

　　故事，要从一只小小灯泡说起。有这样的记载，爱迪生为了发明灯泡，搜集了当时可导电的3000多种物质，全部做成灯丝进行试验，最终选定了钨，作为理想的发光介质。这种科学研究中的重要方法，被称为“试错法”，又名“爱迪生法”。在传统的材料研究领域，发挥了相当大的作用。

　　“打个比方，传统的方法如同炒菜，加一把盐，尝尝味道，不行再添几勺醋，通过大量实验，筛选能形成目标性能的材料组分配比及制备流程。迄今为止我们还不能完全摆脱这种方法，但可以利用‘材料设计’的手段，在一定程度上减少试探的盲目性。”上海大学校长、材料科学家罗宏杰教授说。

　　材料研究中，最小功能单位是组分，不同组分间的相互组合、配比，形成了不同性能性状的材料，这样的组合可能性数以万计。“材料基因组工程”与“人类基因组工程”类似，通过高通量计算，结合已知的可靠实验数据，用理论模拟去尝试尽可能多的真实或未知材料，建立其化学组分、晶体和各种物性的数据库，并利用信息学、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，多快好省地开发新材料。在未来，甚至可以在明确每一组分在材料中作用的基础上，像搭积木一样定制特定功能的材料。这一方法框架下，如同功能模块一般的材料组分，与构成生物性状的基因片段，显然有着异曲同工之妙。

　　材料创新

　　从20年到2年？

　　上海材料基因工程研究院院长张统一院士指出，新的研究方法旨在突破传统材料科学研究中单一学科的以经验积累和简单循环试错为特征的“经验寻优”方式，建立“实验—理论—计算—智能数据”集成和循环提升的系统研究模式，加速材料研究和产业化速度，引领材料科学创新发展，达到研发时间减半，成本减半。

　　回首材料研究历史，一种新型材料从概念提出、实验室成功制备，到投入应用，平均需要20年时间。

　　2009年，美国研究人员的实践将其缩短到2年，在全球学界引发地震，也真正令材料基因组工程研究，成为材料学科研的重点发展方向。原来，当时美国有家大型企业专门生产涡轮发动机，其中关键部件的金属材料，尤须耐高温，当时已有技术的最高指标，是可耐受1100摄氏度高温，再想提高1摄氏度，都非常困难。采用新方法的研究，2年后，这家科技型企业宣布，参数指标有了“明显提升”。

　　从20年到2年的跨越，研发效率显著提升，可能带来的，不仅是科研上的加速，还有竞争中的赶超。以锂电池为例，它广泛应用于手机、电动车等日常用品中。用传统方式发现锂离子电池新材料，需要从上万种含锂化合物中逐一实现测试、筛选正极材料，这要耗费大量的人力物力，而且研究周期漫长，偶然性较大。

　　我国锂电池领域的研究专家，中国科学院物理研究所陈立泉院士认为，目前，我国已经形成了具备完整产业链的锂离子电池产业体系，在国际市场上，虽然中日韩三分天下，但中国技术原创弱，国际市场占有率仅占约23%，这种局面很难改变。要想实现突围，必须布局全固态电池。全固态锂电池要想快速发展，需要从材料研究、生产到应用，再到电芯设计、制造以及设备全产业链实现数字化，而材料基因组工程将加速推进这一进程。全固态锂电池的研发周期也将随之缩短，5年内就能实现产业化。这将在源头上保障我国全固态锂电池技术领先发展，实现我国锂电池产业进行战略转型。

　　竞争

　　远远超越科学研究

　　在学科发展快速、多学科日益融合的今天，计算机科学、信息分析学、自动化生产技术……在材料基因组工程研究的思想框架下，都成为材料基础研究新的助力。

　　由此，在科技战略层面上，全球新的竞争已经拉开序幕。

　　来看看相关时间表——2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系”计划，是“材料基因组计划”是重要部分之一，其目标是帮助美国企业发现、开发、生产和应用先进材料的速度提高到目前的两倍，从而促进美国制造业的复兴，保持美国的全球竞争力，迄今已投入10亿美元；此后，基于相同理念，欧洲发布加速金属科学研究计划，日本发布“元素战略研究计划”，印度紧随其后……

　　2011年12月，以“材料科学系统工程”为主题的香山科学会议学术讨论会举行，旨在应对美国提出的材料基因组研究计划，就我国如何规划、开展实施自己的材料科学系统工程提出建议并进行深入的研讨。

　　专家指出，这一竞争已经远远超越了科学研究。材料科学具有与制造业紧密融合的特点，材料科学研究的提速，成为各国战略布局、抢占高端制造业技术核心的底蕴所在。与此同时，它可能带来的影响，或许也将从材料科学研究领域“溢出”，化为引领更多研究领域的方法论和创新文化。其中意义，难以估量。记者　彭德倩　实习生　孙景涛

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