美國主導的“材料基因組計劃”可能會引發—— 新材料研發的一場革命
2011年6月底，白宮發布了美國國家科學技術委員會起草的“材料基因組計劃”白皮書（Materials Genome Initiative，MGI）。白皮書提出，要實現材料領域發展模式的轉變，把新材料研發和應用的速度從目前的10～20年縮短為5～10年。
面向需求
基因組是指包含在DNA中的關于一個生命體組織發育的一系列遺傳信息，在非生物環境中應用時，指的是計劃中的每一個基本構建要素。材料基因組的研究目標是根據物質構成的基本原理設計新材料，這種設計從原子尺度出發直接面向最終的應用需求。材料“發現”這一概念并不僅限于對某種新材料的化學基團的發現，廣義上還應包括對材料性能加工和加工過程中的發現，甚至提出理論發展的新途徑。
目前，新材料從研發到市場應用時間跨度非常長，某種新材料從最初的研究開發，經性能優化、系統設計與集成、驗證、制造到首次投入市場通常需要10~20年時間。部分原因是一直以來過度依賴對材料研發的科學直覺與實驗判斷，目前大部分材料的設計與測試是通過耗時的重復實驗來完成的，實際上，有些實驗通過計算工具就能完成，只是現在尚無法驗證計算模擬的準確程度。
此外，材料的生命周期并沒有隨著投入市場而結束，未來更多的行業和消費者會關注材料的回收與可持續發展，材料工程師設計新材料時必須考慮可回收性等更多的因素。
材料基因組計劃將為新的研究范式發展提供必要的工具，強大的計算分析將減少對物理實驗的依賴。改進的數據共享系統和一體化的工程團隊將允許設計、系統工程與生產活動的重疊與互動。這種新的綜合設計將結合更多的計算與信息技術，加上實驗與表征方面的進步，將顯著加快材料投入市場的種類及速度，材料的開發周期可從目前的10~20年縮短為5~10年。
重點內容
材料基因組計劃試圖創建的材料創新框架，重點包括以下三方面的內容：
一，打造材料創新基礎。材料基因組計劃將開發新的集成式計算、實驗和數據信息學工具。這些軟件和集成工具將貫穿整個材料研發鏈，它們采用一種開放平臺進行開發，以提高預測能力，并按最新標準，實現整個材料創新基礎數字化信息的整合。這一基礎將與現有產品設計框架無縫結合，推動材料工程設計向快速化、全面化發展。
二，開發數據共享平臺。材料基因組計劃的目的不僅是讓研究人員能夠輕松地將自己的數據導入模型，同時還要使研究和工程人員能夠彼此整合數據。數據共享還將促進處于不同材料開發階段的科學家和工程師的跨學科交流。
三，通過先進材料希望達到的目標。這一計劃的提出者認為，美國目前面臨的如清潔能源、國家安全和人類福祉等方面緊迫挑戰的求解都有賴于先進材料的發展。
1，國家安全相關材料。美國國防部和國防實驗室都在材料研究方面投入巨資。研究實驗室更關注輕質保護材料、電子材料、儲能材料、生物替代材料等。美軍方希望使用先進材料來保護和武裝軍事力量，同時，如稀土等關鍵材料在國家安全等領域也將發揮難以替代的作用。
2，人類健康和福利相關材料。先進材料的許多應用可解決人類健康和福利面臨的挑戰——從生物相容性材料到防受傷的保護材料設計，如假肢或人工器官。防止創傷性腦損傷設計的先進材料對于包括運動員和軍事人員等在內的很多用戶群體都有潛在的好處。
3，清潔能源系統相關材料。開發清潔能源、減少對于石油的依賴是美國明確優先發展的項目。材料研究可以幫助找到新技術，如為生物燃料生產更好的催化劑、直接從陽光產生能量的人工光合作用、新穎高效的太陽能光伏、便攜式能源存儲設備等。先進材料（如高效率、低成本、輕量化結構材料）還可以減少運輸對石油的依賴。
行動計劃
白宮自去年6月底推出材料基因組計劃的白皮書后，目前正向相關國家實驗室、大學等機構征求政策建議。未來與此相關的重要安排有：
一，美國能源部將與國家科學基金會聯合開發、維護和實施可靠、可互操作和可重復利用的下一代物質設計軟件。能源部將通過“材料和化學計算設計”項目，國家科學基金會將通過“21世紀科學與工程網絡基礎設施框架”項目，協調發展高品質生產軟件工具包。
二，為支持先進軟件項目開發，能源部和國家科學基金會還將協調發展下一步的表征工具，為算法和軟件工具的發展提供基礎數據。
三，國家標準技術研究院主導的“先進材料設計”項目將針對標準基礎設施，參考數據庫和卓越中心的發展，使材料的發現、優化設計建模和仿真更可靠。該項目將與能源部、國家科學基金會的項目密切配合。
四，美國防部將重點投資計算材料的基礎研究和應用研究，提高材料性能滿足廣泛的國家安全需求，在材料防御系統保持技術優勢。陸軍研究實驗室、海軍研究辦公室和空軍研究實驗室將共同參與研究。
五，能源部能源效率和可再生能源部門的新一代材料方案將包括：用于制造過程的新材料，提高材料性能和降低制造成本的新復合材料系統，用于預測空間和時間變化的建模和仿真工具等。
2011年6月底，白宮發布了美國國家科學技術委員會起草的“材料基因組計劃”白皮書（Materials Genome Initiative，MGI）。白皮書提出，要實現材料領域發展模式的轉變，把新材料研發和應用的速度從目前的10～20年縮短為5～10年。
面向需求
基因組是指包含在DNA中的關于一個生命體組織發育的一系列遺傳信息，在非生物環境中應用時，指的是計劃中的每一個基本構建要素。材料基因組的研究目標是根據物質構成的基本原理設計新材料，這種設計從原子尺度出發直接面向最終的應用需求。材料“發現”這一概念并不僅限于對某種新材料的化學基團的發現，廣義上還應包括對材料性能加工和加工過程中的發現，甚至提出理論發展的新途徑。
目前，新材料從研發到市場應用時間跨度非常長，某種新材料從最初的研究開發，經性能優化、系統設計與集成、驗證、制造到首次投入市場通常需要10~20年時間。部分原因是一直以來過度依賴對材料研發的科學直覺與實驗判斷，目前大部分材料的設計與測試是通過耗時的重復實驗來完成的，實際上，有些實驗通過計算工具就能完成，只是現在尚無法驗證計算模擬的準確程度。
此外，材料的生命周期并沒有隨著投入市場而結束，未來更多的行業和消費者會關注材料的回收與可持續發展，材料工程師設計新材料時必須考慮可回收性等更多的因素。
材料基因組計劃將為新的研究范式發展提供必要的工具，強大的計算分析將減少對物理實驗的依賴。改進的數據共享系統和一體化的工程團隊將允許設計、系統工程與生產活動的重疊與互動。這種新的綜合設計將結合更多的計算與信息技術，加上實驗與表征方面的進步，將顯著加快材料投入市場的種類及速度，材料的開發周期可從目前的10~20年縮短為5~10年。
重點內容
材料基因組計劃試圖創建的材料創新框架，重點包括以下三方面的內容：
一，打造材料創新基礎。材料基因組計劃將開發新的集成式計算、實驗和數據信息學工具。這些軟件和集成工具將貫穿整個材料研發鏈，它們采用一種開放平臺進行開發，以提高預測能力，并按最新標準，實現整個材料創新基礎數字化信息的整合。這一基礎將與現有產品設計框架無縫結合，推動材料工程設計向快速化、全面化發展。
二，開發數據共享平臺。材料基因組計劃的目的不僅是讓研究人員能夠輕松地將自己的數據導入模型，同時還要使研究和工程人員能夠彼此整合數據。數據共享還將促進處于不同材料開發階段的科學家和工程師的跨學科交流。
三，通過先進材料希望達到的目標。這一計劃的提出者認為，美國目前面臨的如清潔能源、國家安全和人類福祉等方面緊迫挑戰的求解都有賴于先進材料的發展。
1，國家安全相關材料。美國國防部和國防實驗室都在材料研究方面投入巨資。研究實驗室更關注輕質保護材料、電子材料、儲能材料、生物替代材料等。美軍方希望使用先進材料來保護和武裝軍事力量，同時，如稀土等關鍵材料在國家安全等領域也將發揮難以替代的作用。
2，人類健康和福利相關材料。先進材料的許多應用可解決人類健康和福利面臨的挑戰——從生物相容性材料到防受傷的保護材料設計，如假肢或人工器官。防止創傷性腦損傷設計的先進材料對于包括運動員和軍事人員等在內的很多用戶群體都有潛在的好處。
3，清潔能源系統相關材料。開發清潔能源、減少對于石油的依賴是美國明確優先發展的項目。材料研究可以幫助找到新技術，如為生物燃料生產更好的催化劑、直接從陽光產生能量的人工光合作用、新穎高效的太陽能光伏、便攜式能源存儲設備等。先進材料（如高效率、低成本、輕量化結構材料）還可以減少運輸對石油的依賴。
行動計劃
白宮自去年6月底推出材料基因組計劃的白皮書后，目前正向相關國家實驗室、大學等機構征求政策建議。未來與此相關的重要安排有：
一，美國能源部將與國家科學基金會聯合開發、維護和實施可靠、可互操作和可重復利用的下一代物質設計軟件。能源部將通過“材料和化學計算設計”項目，國家科學基金會將通過“21世紀科學與工程網絡基礎設施框架”項目，協調發展高品質生產軟件工具包。
二，為支持先進軟件項目開發，能源部和國家科學基金會還將協調發展下一步的表征工具，為算法和軟件工具的發展提供基礎數據。
三，國家標準技術研究院主導的“先進材料設計”項目將針對標準基礎設施，參考數據庫和卓越中心的發展，使材料的發現、優化設計建模和仿真更可靠。該項目將與能源部、國家科學基金會的項目密切配合。
四，美國防部將重點投資計算材料的基礎研究和應用研究，提高材料性能滿足廣泛的國家安全需求，在材料防御系統保持技術優勢。陸軍研究實驗室、海軍研究辦公室和空軍研究實驗室將共同參與研究。
五，能源部能源效率和可再生能源部門的新一代材料方案將包括：用于制造過程的新材料，提高材料性能和降低制造成本的新復合材料系統，用于預測空間和時間變化的建模和仿真工具等。
