美国主导的“材料基因组计划”可能会引发—— 新材料研发的一场革命
2011年6月底，白宫发布了美国国家科学技术委员会起草的“材料基因组计划”白皮书（Materials Genome Initiative，MGI）。白皮书提出，要实现材料领域发展模式的转变，把新材料研发和应用的速度从目前的10～20年缩短为5～10年。
面向需求
基因组是指包含在DNA中的关于一个生命体组织发育的一系列遗传信息，在非生物环境中应用时，指的是计划中的每一个基本构建要素。材料基因组的研究目标是根据物质构成的基本原理设计新材料，这种设计从原子尺度出发直接面向最终的应用需求。材料“发现”这一概念并不仅限于对某种新材料的化学基团的发现，广义上还应包括对材料性能加工和加工过程中的发现，甚至提出理论发展的新途径。
目前，新材料从研发到市场应用时间跨度非常长，某种新材料从最初的研究开发，经性能优化、系统设计与集成、验证、制造到首次投入市场通常需要10~20年时间。部分原因是一直以来过度依赖对材料研发的科学直觉与实验判断，目前大部分材料的设计与测试是通过耗时的重复实验来完成的，实际上，有些实验通过计算工具就能完成，只是现在尚无法验证计算模拟的准确程度。
此外，材料的生命周期并没有随着投入市场而结束，未来更多的行业和消费者会关注材料的回收与可持续发展，材料工程师设计新材料时必须考虑可回收性等更多的因素。
材料基因组计划将为新的研究范式发展提供必要的工具，强大的计算分析将减少对物理实验的依赖。改进的数据共享系统和一体化的工程团队将允许设计、系统工程与生产活动的重叠与互动。这种新的综合设计将结合更多的计算与信息技术，加上实验与表征方面的进步，将显著加快材料投入市场的种类及速度，材料的开发周期可从目前的10~20年缩短为5~10年。
重点内容
材料基因组计划试图创建的材料创新框架，重点包括以下三方面的内容：
一，打造材料创新基础。材料基因组计划将开发新的集成式计算、实验和数据信息学工具。这些软件和集成工具将贯穿整个材料研发链，它们采用一种开放平台进行开发，以提高预测能力，并按最新标准，实现整个材料创新基础数字化信息的整合。这一基础将与现有产品设计框架无缝结合，推动材料工程设计向快速化、全面化发展。
二，开发数据共享平台。材料基因组计划的目的不仅是让研究人员能够轻松地将自己的数据导入模型，同时还要使研究和工程人员能够彼此整合数据。数据共享还将促进处于不同材料开发阶段的科学家和工程师的跨学科交流。
三，通过先进材料希望达到的目标。这一计划的提出者认为，美国目前面临的如清洁能源、国家安全和人类福祉等方面紧迫挑战的求解都有赖于先进材料的发展。
1，国家安全相关材料。美国国防部和国防实验室都在材料研究方面投入巨资。研究实验室更关注轻质保护材料、电子材料、储能材料、生物替代材料等。美军方希望使用先进材料来保护和武装军事力量，同时，如稀土等关键材料在国家安全等领域也将发挥难以替代的作用。
2，人类健康和福利相关材料。先进材料的许多应用可解决人类健康和福利面临的挑战——从生物相容性材料到防受伤的保护材料设计，如假肢或人工器官。防止创伤性脑损伤设计的先进材料对于包括运动员和军事人员等在内的很多用户群体都有潜在的好处。
3，清洁能源系统相关材料。开发清洁能源、减少对于石油的依赖是美国明确优先发展的项目。材料研究可以帮助找到新技术，如为生物燃料生产更好的催化剂、直接从阳光产生能量的人工光合作用、新颖高效的太阳能光伏、便携式能源存储设备等。先进材料（如高效率、低成本、轻量化结构材料）还可以减少运输对石油的依赖。
行动计划
白宫自去年6月底推出材料基因组计划的白皮书后，目前正向相关国家实验室、大学等机构征求政策建议。未来与此相关的重要安排有：
一，美国能源部将与国家科学基金会联合开发、维护和实施可靠、可互操作和可重复利用的下一代物质设计软件。能源部将通过“材料和化学计算设计”项目，国家科学基金会将通过“21世纪科学与工程网络基础设施框架”项目，协调发展高品质生产软件工具包。
二，为支持先进软件项目开发，能源部和国家科学基金会还将协调发展下一步的表征工具，为算法和软件工具的发展提供基础数据。
三，国家标准技术研究院主导的“先进材料设计”项目将针对标准基础设施，参考数据库和卓越中心的发展，使材料的发现、优化设计建模和仿真更可靠。该项目将与能源部、国家科学基金会的项目密切配合。
四，美国防部将重点投资计算材料的基础研究和应用研究，提高材料性能满足广泛的国家安全需求，在材料防御系统保持技术优势。陆军研究实验室、海军研究办公室和空军研究实验室将共同参与研究。
五，能源部能源效率和可再生能源部门的新一代材料方案将包括：用于制造过程的新材料，提高材料性能和降低制造成本的新复合材料系统，用于预测空间和时间变化的建模和仿真工具等。
2011年6月底，白宫发布了美国国家科学技术委员会起草的“材料基因组计划”白皮书（Materials Genome Initiative，MGI）。白皮书提出，要实现材料领域发展模式的转变，把新材料研发和应用的速度从目前的10～20年缩短为5～10年。
面向需求
基因组是指包含在DNA中的关于一个生命体组织发育的一系列遗传信息，在非生物环境中应用时，指的是计划中的每一个基本构建要素。材料基因组的研究目标是根据物质构成的基本原理设计新材料，这种设计从原子尺度出发直接面向最终的应用需求。材料“发现”这一概念并不仅限于对某种新材料的化学基团的发现，广义上还应包括对材料性能加工和加工过程中的发现，甚至提出理论发展的新途径。
目前，新材料从研发到市场应用时间跨度非常长，某种新材料从最初的研究开发，经性能优化、系统设计与集成、验证、制造到首次投入市场通常需要10~20年时间。部分原因是一直以来过度依赖对材料研发的科学直觉与实验判断，目前大部分材料的设计与测试是通过耗时的重复实验来完成的，实际上，有些实验通过计算工具就能完成，只是现在尚无法验证计算模拟的准确程度。
此外，材料的生命周期并没有随着投入市场而结束，未来更多的行业和消费者会关注材料的回收与可持续发展，材料工程师设计新材料时必须考虑可回收性等更多的因素。
材料基因组计划将为新的研究范式发展提供必要的工具，强大的计算分析将减少对物理实验的依赖。改进的数据共享系统和一体化的工程团队将允许设计、系统工程与生产活动的重叠与互动。这种新的综合设计将结合更多的计算与信息技术，加上实验与表征方面的进步，将显著加快材料投入市场的种类及速度，材料的开发周期可从目前的10~20年缩短为5~10年。
重点内容
材料基因组计划试图创建的材料创新框架，重点包括以下三方面的内容：
一，打造材料创新基础。材料基因组计划将开发新的集成式计算、实验和数据信息学工具。这些软件和集成工具将贯穿整个材料研发链，它们采用一种开放平台进行开发，以提高预测能力，并按最新标准，实现整个材料创新基础数字化信息的整合。这一基础将与现有产品设计框架无缝结合，推动材料工程设计向快速化、全面化发展。
二，开发数据共享平台。材料基因组计划的目的不仅是让研究人员能够轻松地将自己的数据导入模型，同时还要使研究和工程人员能够彼此整合数据。数据共享还将促进处于不同材料开发阶段的科学家和工程师的跨学科交流。
三，通过先进材料希望达到的目标。这一计划的提出者认为，美国目前面临的如清洁能源、国家安全和人类福祉等方面紧迫挑战的求解都有赖于先进材料的发展。
1，国家安全相关材料。美国国防部和国防实验室都在材料研究方面投入巨资。研究实验室更关注轻质保护材料、电子材料、储能材料、生物替代材料等。美军方希望使用先进材料来保护和武装军事力量，同时，如稀土等关键材料在国家安全等领域也将发挥难以替代的作用。
2，人类健康和福利相关材料。先进材料的许多应用可解决人类健康和福利面临的挑战——从生物相容性材料到防受伤的保护材料设计，如假肢或人工器官。防止创伤性脑损伤设计的先进材料对于包括运动员和军事人员等在内的很多用户群体都有潜在的好处。
3，清洁能源系统相关材料。开发清洁能源、减少对于石油的依赖是美国明确优先发展的项目。材料研究可以帮助找到新技术，如为生物燃料生产更好的催化剂、直接从阳光产生能量的人工光合作用、新颖高效的太阳能光伏、便携式能源存储设备等。先进材料（如高效率、低成本、轻量化结构材料）还可以减少运输对石油的依赖。
行动计划
白宫自去年6月底推出材料基因组计划的白皮书后，目前正向相关国家实验室、大学等机构征求政策建议。未来与此相关的重要安排有：
一，美国能源部将与国家科学基金会联合开发、维护和实施可靠、可互操作和可重复利用的下一代物质设计软件。能源部将通过“材料和化学计算设计”项目，国家科学基金会将通过“21世纪科学与工程网络基础设施框架”项目，协调发展高品质生产软件工具包。
二，为支持先进软件项目开发，能源部和国家科学基金会还将协调发展下一步的表征工具，为算法和软件工具的发展提供基础数据。
三，国家标准技术研究院主导的“先进材料设计”项目将针对标准基础设施，参考数据库和卓越中心的发展，使材料的发现、优化设计建模和仿真更可靠。该项目将与能源部、国家科学基金会的项目密切配合。
四，美国防部将重点投资计算材料的基础研究和应用研究，提高材料性能满足广泛的国家安全需求，在材料防御系统保持技术优势。陆军研究实验室、海军研究办公室和空军研究实验室将共同参与研究。
五，能源部能源效率和可再生能源部门的新一代材料方案将包括：用于制造过程的新材料，提高材料性能和降低制造成本的新复合材料系统，用于预测空间和时间变化的建模和仿真工具等。
