材料基因工程通过融合高通量计算、高通量实验、专用数据库三大技术，实现新材料研发由“试错法”向“理论预测、实验验证”模式的转变，从而达到降低材料研发成本、缩短研发周期的目的。自2011年6月美国启动“材料基因组计划”后，欧盟、日本等国迅速启动了类似研究计划。本文对国外材料基因组计划的主要内容、技术内涵、科学本质、最新动向及其未来发展趋势等进行了简要介绍，对我国材料基因工程的组织实施提出了对策建议。
1.材料基因组计划简介
材料是社会发展的重要物质基础，材料创新是各种颠覆性技术革命的核心。因此，新材料研发技术是体现一个国家科技发展水平的关键标志。
在美国，材料基因（materials genome）这一概念由宾夕法尼亚州立大学材料系教授刘梓葵，在2002年创立材料基因组公司时所提出。该商标注册于2004年，并于2012年被授权使用。2011年6月，经材料基因组公司和美国白宫科学与技术政策办公室双方同意，这个名字被“为提高全球竞争力的材料基因组计划（mgi）”所采用。
金融危机之后，美国政府意识到制造业是提升国家安全和竞争力的关键。而作为“先进制造伙伴计划”的重要组成部分，mgi提出了崭新的材料研发模式，为降低新材料研发成本，全面提高先进材料从发现到应用的速度，保持并强化其在核心科技领域的优势地位奠定了创新基础。
材料基因组这个名词的出现有感于人类基因组计划的成功，但迄今为止并无特定的科学定义，仅作为这种新型材料研发模式的代称。然而，对于材料基因组的内部构架及实施目标则非常明确，即：通过融合计算工具、实验手段、专用数据库三大模块，实现新材料研发由“试错法”向“理论预测、实验求证”模式的转变，从而达到提高材料高级科学发现、降低研发成本、缩短材料研发周期、支撑先进制造和高新技术发展的目的。
材料基因组计划的关键在于计算、实验、数据库之间的协作和共享。借力于信息技术，建立包括高通量材料计算、制备、表征、仪器装备、数据库、材料信息等新型共享平台，是互联网时代新的材料研究方法的核心内容。
2.美国、欧盟和日本的材料基因组计划
1.美国的材料基因组计划及实施情况
美国主要由各相关联邦执行机构，分别就mgi计划任务指标展开详细计划与部署。
2012年，美国国家科学基金会（nsf）宣布实施“设计材料—彻底改变未来（dmref）”计划，包括先进大数据科学与工程的核心技术研发等；2014年，由nsf支持的应用材料公司、南卡罗莱纳大学、美国国家标准与技术研究院，以及白宫科学技术办公室等几家单位，共同成立了“功能材料组合方法工作平台”。
2012年，美国国家标准与技术研究院（nist）致力研发适应于mgi的新技术、新标准及新检测工具；2013年，nist宣布在未来5年内资助2500万美元，用于建设以芝加哥为核心的先进材料研发商业体；2014年，nist投资2500万美元，集中用于新兴工业部门研发与部署下一代计算工具、数据库和实验技术。
美国联邦政府于2013年宣布斥资2亿美元建立美国制造、轻质、现代金属三所新制造革新研究院，以及下一代动力电子革新研究院。2015年10月底，美国国家经济委员会与美国国家科学与技术政策办公室编写了新版《美国创新新战略》，在原有基础上增加了材料基因组创新技术的发展，以支持新材料及制造产业的良性运转。
美国非联邦机构在积极推动mgi计划方面也发挥着重大作用。2012年，来自美国材料学科和制造领域的31家组织机构，共同研发可供数据和知识共享的开放模型，用于加速新材料发现、制造和商业化，创建共享的材料数据平台，培训相关工作人员最新的材料设计/工艺知识。2013年，威斯康辛大学和佐治亚理工大学投资约1500万美元创建材料革新研究院，同时联合密歇根大学共建材料革新加速网络化平台，以及软材料建模与仿真“集成实验室”。美国高校、国家实验室和学术出版商等团体机构，共同建立了国家数据服务（nds），以实现数据便捷输入与共享。
数据库建设是mgi的一个基础组成部分。2012年，麻省理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室开放了拥有1.5万相关材料的公众数据库；2013年，哈佛大学和ibm的科研人员建立了包含700万条数据的清洁能源材料性能数据库；2014年，康奈尔大学和杜克大学合力研发并提供共享的高通量材料数据库和开放软件。
计算材料学是通过实际过程模拟和辅助材料设计来加速引导新材料的研发。在材料模拟仿真领域，开发出了诸如autodesk simulation network、cae等优秀的仿真优化与设计工艺软件和平台；在辅助材料设计方面，开发出了诸如aflow、uspex、atat等用于高通量计算、晶体结构预测，以及热力学相图计算的软件或平台。
教育培训是落实mgi计划的重要环节。2012年，以大学材料委员会（umc）为首的33家高校，有针对性地对材料领域学员进行了有关mgi知识教育培训；2013年，麻省理工、南卡罗来纳州大学等高校开展了网上免费mgi培训课程；美国材料研究学会发放了高通量材料科学白皮书。
2.欧盟的材料基因组计划及实施情况
受美国mgi激励，欧盟以高性能合金材料需求为牵引，于2011年启动了第7框架“加速冶金学”（accmet）项目。项目组织了政府机构、大学、仪器设备装置商、材料需求企业等几十家单位的参与，以共同开发适用于块体合金材料研发的高通量组合材料制备与表征方法，旨在将合金配方研发周期，由传统冶金学方法所需的5～6年缩短至1年以内。2012年，欧洲科学基金会又推出总投资超过20亿欧元的“2012—2022欧洲冶金复兴计划”，将高通量合成与组合筛选技术列为其重要内容，以加速发现与应用高性能合金及新一代其他材料。
欧盟第7框架计划下“纳米科学、纳米技术、材料与新制造技术”（nmp）主题研究的工作计划，在工程纳米粒子的毒性研究、纳米材料的精确合成、多材料复合、自修复材料、高温电厂用先进材料、离岸风涡轮机叶片材料等领域部署了材料的建模和设计等相关研究。
欧洲科学基金会下的“研究网络计划”设置了有关材料模拟的“材料从头计算模拟先进概念计划”和“生物系统与材料科学的分子模拟计划”。前者致力于开发凝聚态材料在电子层级的“从头计算”方法，后者关注开发计算工具。
3.日本的材料基因组计划及实施情况
日本也启动了类似于材料基因组的科学计划。日本文部科学省和经济产业省计划建立玻璃、陶瓷、合金钢等领域的材料数据库、专家库，来促进其协同创新能力。日本国立物质材料研究机构、产业技术综合研究所、东京大学、东北大学等研究机构均设有专门的材料设计与模拟研究中心或团队。例如，日本产业技术综合研究所下设计算科学研究所，其主要研究方向有纳米、能源与环境、生物等领域的模拟技术以及集成模拟系统；日本理化学研究所采用模拟和实验结合的方法，在高温钛合金、贵金属耐热合金、超级钢、纳米结构与分子开关等领域开展了深入的研发。
3.我国的材料基因工程及发展状况
1.政府部门和地方积极推动材料基因工程发展
我国材料界一直在关注加速材料研发的新方法。美国宣布材料基因组计划后，我国科学家立即敏锐地捕捉到该计划所释放出的重要信息。在多位专家学者建议下，2011年7月中国工程院和中国科学院分别召开“材料基因组”研讨会，12月召开“材料科学系统工程”香山科学会议；2012年12月和2013年3月，中国工程院和中国科学院分别启动“材料基因组计划”重大咨询项目；2014年10月中国科学院向国务院报送了《实施材料基因组计划，推进我国高端制造业材料发展》的咨询建议；2015年2月，中国工程院向国务院报送了《中国版材料基因组计划》的咨询建议。工程院和科学院的报告，得到了党和国家领导人的高度重视和多次批示，指示尽快启动材料基因工程研究。
科技部高度重视材料基因工程相关技术的发展。“十二五”期间，在国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家高技术研究发展计划（863计划）中先后设立了30余项与计算材料、材料制备与服役行为相关的项目。如2000-2015年，973计划连续三期设立了与材料计算设计和性能预测基础问题、材料先进制备加工共性关键技术的研究项目；863计划中设立了“多组分材料跨尺度集成设计与精确制备技术”、“基于材料基因工程的高通量设计、制备与表征技术”等项目。国家自然科学基金委员会对材料设计、制备与表征技术研究给予了持续的支持，大大促进了相关基础研究的发展。
材料基因工程也得到了地方政府的高度重视。2012年后，上海大学先后多次举办了国内及国际材料基因组工程学术讨论会、中美材料基因发展高层论坛等活动，得到了上海市的支持。2014年后，上海市、北京市先后成立了“上海市材料基因组工程研究院”（上海大学负责，上海交通大学等6所高校及中科院研究机构参加）、“材料基因工程北京市重点实验室”（北京科技大学负责）；上海市政府投入3.2亿元，重点支持上海大学等单位布局地方材料基因组工程研究与发展工作，推动中国材料基因组计划的实施。上海、北京等地的开拓性工作，为我国材料基因组工程的启动和实施奠定了重要的基础，有力地推动了相关工作开展。
2.我国材料基因工程取得的主要进展
材料基因工程的核心内容是借助互联网信息技术，发展、融合并共享高通量材料计算、通量材料制备与表征及专用数据库资源。结合这一要求，我国培养了一批高素质的研究人才和科研队伍，形成了一批重点研究基地，取得一批具有国际影响的新材料研发和应用成果。
我国具备了在电子尺度进行材料大规模第一原理计算和开发的能力；创立了以虚拟结构和数论方法为基础的晶格反演方法；建立了近1000种有效的原子间相互作用势库，而且原子尺度的仿真模拟在国际上享有独特的地位。
我国主要材料研究单位开发了一系列高通量材料制备与表征技术，在材料微观结构分析与高通量原位统计表征技术等方面处于国际先进水平；我国在材料服役性能等效加速模拟实验方法与高通量表征评价技术方面取得了长足的进展，在使用大科学装置进行高通量材料表征的实验技术研究方面已经开始起步。
2011年，科技部组建了国家材料环境腐蚀野外科学观测研究平台，积累了大量实用数据，并在三峡大坝、天宫一号等一系列国家重大工程建设中发挥了重要作用；科技部启动建设“国家材料科学数据共享网”，通过整合、重构全国材料科学数据，初步建成了较为完整的材料科学数据库。
面向材料设计计算、先进制备与表征、数据积累等需求，我国建设了一批重点研究基地。目前，我国公开拥有p级以上计算能力的超算中心有国家超级计算天津中心、深圳中心、济南中心、长沙中心、广州中心及东北区域超算中心等。
3.我国材料基因工程实施面临的挑战
材料基因组技术包括高通量材料计算、高通量材料实验和材料数据库三个要素。我国在三要素各自建设以及三要素之间的协同方面，尚存在亟待解决的关键问题：
一是在材料多尺度建模及专业算法和软件开发上还部分落后于国外，计算软件主要依赖进口，在源头上制约了我国新材料的创新发展。
二是缺乏高通量材料合成制备平台所需的并行组合芯片与专用设备，高通量物性表征技术滞后于先进国家。
三是我国的计算用基础数据量不足以建成高通量计算专用数据库；材料研发缺乏数据共享机制，计算与实验数据碎片化现象严重；缺乏面向新材料发现的高效数据集成与数据分析挖掘的大数据技术。
4.推动我国材料基因工程实施的对策和建议
综上所述，我国的材料基因工程面临着基础设施平台不完善、关键技术存在瓶颈、数据资源碎片化等问题，需要分层次、多角度地进行推动和建设。
1.建立国家层面的协调机构和协同创新机制
建议成立由科技部牵头，由工业和信息化部、国家自然科学基金委、教育部、中国工程院和中国科学院等相关部门的领导和专家组成“国家材料基因工程协调小组”，围绕国家战略需求，凝练共性问题，制定技术路线图，进行顶层设计，组织实施材料基因工程。
在运行机制的筹划中，应通过体制机制创新，营造有利于不同学科、不同领域、不同环节充分交流的环境氛围。
2.完善平台建设，突破关键技术，培育示范基地
构建以应用需求为导向、支持高通量计算与高效制备表征、服务于新材料创新的、开放共享的集成公共平台。
突破材料学关键技术以及面向材料基因工程的数据库和新一代信息技术，包括挖掘分析、分布存储、交互协同等重要功能的大数据技术，以及计算机接口、数字综合处理、信息物理系统、云计算、通信网络、物联网等“互联网 ”技术，为材料创新研究提供智能化数据和信息支撑。
组建若干示范、推广材料基因工程关键技术的工业研究院，瞄准有急迫需求和明确市场前景的目标材料，形成高通量材料研发和产业化示范基地。
3.发挥国家科技计划项目的引导作用，推广材料研发新理念
在国家科技计划材料领域研发项目的组织实施中，通过设立专项、重点项目等方式，引导科研人员投身于通用材料的高通量计算、高通量制备与表征等方向的研究。
鼓励、支持项目承担单位借助材料基因工程的研发理念和工具技术，开展其具体的材料研发工作。