在美國(guó)2012年財(cái)政預(yù)算中，新增了1億美元用以支持一項(xiàng)名為“材料基因組”的創(chuàng)新計(jì)劃。這個(gè)試圖揭示物質(zhì)構(gòu)成、不同元素排列與材料功能之間關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有目的設(shè)計(jì)新材料的科學(xué)工程，有著更強(qiáng)烈的實(shí)用和需求背景，也是美國(guó)為保持其在先進(jìn)材料及高端制造業(yè)領(lǐng)域領(lǐng)先地位的一大舉措。本報(bào)記者專訪我國(guó)材料研究專家、中科院上海硅酸鹽所江東亮院士，請(qǐng)他介紹這項(xiàng)繼人類基因組計(jì)劃之后，又一重大的科學(xué)工程項(xiàng)目。

　　——編者

　　問：什么是材料基因組？材料基因組計(jì)劃和人類基因組計(jì)劃有相似之處嗎？

　　答：“材料基因組”一詞，應(yīng)該是受了“人類基因組計(jì)劃”極大的影響。這兩個(gè)計(jì)劃雖然針對(duì)的對(duì)象完全不同，但是其最大的相似點(diǎn)是兩者都是從對(duì)研究對(duì)象最基本組份（一為核苷酸-基因-細(xì)胞，一為原子-分子-化合物）的了解出發(fā)，來試圖更多地了解“人”和“材料”，或者可以說，材料基因組和人類基因組這兩大科學(xué)計(jì)劃存在內(nèi)在邏輯上的關(guān)聯(lián)。從材料來講，只有知道元素不同的排列組合以及它的性能，才能發(fā)展出的新的材料。原子分子不同的排列組合必然導(dǎo)致功能上的巨大差異。如同人類基因序列上的不同排列會(huì)導(dǎo)致各種疾病，材料元素組合上的缺陷，也必然會(huì)對(duì)最終形成的材料本身的功能帶來巨大的差異。材料學(xué)家希望盡可能做到材料缺陷最少，但也可能因?yàn)橐恍┮庀氩坏降呐帕挟a(chǎn)生“突變”，形成一種新的材料。

　　例如能把硬度和韌性好的兩種材料的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，就能形成一種新的更好的復(fù)合型材料?；鸺蛯?dǎo)彈的頭部所用的基本都是復(fù)合材料，導(dǎo)彈鉆入大氣層時(shí)因?yàn)樗俣忍?，表面摩擦可產(chǎn)生約3000℃的高溫，一般材料很難耐受如此高溫，所以必須創(chuàng)造一種新的材料。最早的辦法是讓這種材料“出汗”，一出汗讓材料冷卻下來，所以叫“發(fā)汗材料”，但是發(fā)汗材料因過重而不合適，后來發(fā)展到碳纖維復(fù)合材料，既耐高溫，又有強(qiáng)度，表面涂層又能抗氧化，即使燒掉，結(jié)構(gòu)還在。

　　另外，材料基因組還要結(jié)合已知的、可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用理論和計(jì)算模擬去嘗試發(fā)現(xiàn)新的未知材料，并建立其化學(xué)組分、晶體結(jié)構(gòu)和各種物性的數(shù)據(jù)庫(kù)，利用信息學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，通過數(shù)據(jù)挖掘探尋材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系模式，為材料設(shè)計(jì)師提供更多的信息。簡(jiǎn)言之，我的理解，實(shí)施材料基因組計(jì)劃是希望從根本上加深對(duì)物質(zhì)構(gòu)成的認(rèn)識(shí)。

　　問：與傳統(tǒng)的新材料研制相比，材料基因組會(huì)帶來哪些變化？

　　答：現(xiàn)階段材料研發(fā)大致是從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到產(chǎn)品這樣一種直線型的模式，周期很長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)在一種材料從研究開發(fā)到形成商用產(chǎn)品，平均周期是18年，通常一種新藥的整個(gè)開發(fā)周期是10年，新材料的研制周期顯然要長(zhǎng)得多。

　　而材料基因組的做法是把傳統(tǒng)的研發(fā)到產(chǎn)品這樣一種過程整個(gè)翻轉(zhuǎn)過來，即從應(yīng)用需求出發(fā)，反求倒推到符合相應(yīng)結(jié)構(gòu)功能的材料。這樣一種顛覆性的改變意味著需要對(duì)各種材料有足夠多的認(rèn)識(shí)和積累，包括結(jié)構(gòu)組成、性能、工藝優(yōu)化等。我們現(xiàn)在可以用計(jì)算機(jī)模擬溫度、濕度、氣氛、應(yīng)力、強(qiáng)度等參數(shù)的變化，來獲得優(yōu)化工藝和性能，這樣就大大加快了研發(fā)進(jìn)度，通過計(jì)算機(jī)模擬工藝進(jìn)程，改變某些參數(shù)，就能得到相應(yīng)的結(jié)果，這樣可以少走彎路。因?yàn)樵囼?yàn)階段是最花時(shí)間和精力的，耗費(fèi)也最大。

　　這些手段和條件方面的進(jìn)步使得新材料的產(chǎn)出周期縮短成為可能。所以“材料基因組計(jì)劃”很重要的目標(biāo)之一就是要把新材料的產(chǎn)出速度至少翻一番，即從18年左右的周期縮短為9~10年。

　　問：您剛才提到，材料基因組中很重要的一點(diǎn)是利用已知元素的特性來有目的地改變材料性能，材料學(xué)家是怎樣做到這一點(diǎn)的？

　　答：舉個(gè)晶體的例子。一般晶體（即人們俗稱的寶石）都是天然的，現(xiàn)在人工可以合成和天然晶體相仿的寶石，即所謂的人工晶體。比如人們已知鉆石是碳的立方晶型的結(jié)構(gòu)，那么在人為制造的幾千個(gè)大氣壓和2000℃的環(huán)境溫度下，就能把像石墨一樣黑黑的碳元素重新組合成晶瑩剔透的金剛石。人工制造晶體需要對(duì)天然晶體的結(jié)構(gòu)研究得非常清楚，因?yàn)椴煌慕Y(jié)構(gòu)、元素有不同的性質(zhì)，有意識(shí)地改變這些特性，就能發(fā)明一種新晶體，或者發(fā)現(xiàn)晶體的某種新功能。比如硅酸鹽所的拳頭產(chǎn)品BGO（B=鉍G=鍺，鍺酸鉍），就是一種應(yīng)用在醫(yī)療儀器CT里面的人工閃爍晶體。這種晶體能夠接受和感知射線的強(qiáng)弱，如射線照過身體，身體某部位有什么問題，吸收程度不一樣，就會(huì)在接受版上顯示影像，醫(yī)生根據(jù)影像強(qiáng)弱和形狀就能得知被檢者的身體狀況。如果把鉍換成其他物質(zhì)，這種人工晶體的功能就不一樣了。

　　同樣，搞清楚鉍、鍺這些元素在晶胞里的位置也很重要，有時(shí)候量和位置不同，性能也就大相徑庭。材料學(xué)家通常用晶胞位置，晶格間、晶胞間的空隙大小來定位元素在晶體中的位置，譬如，許多激光晶體就是用YAG（釔鋁石榴之石）摻稀土釹（Nd）而成。釹是稀土中重要的一種，材料學(xué)家需要知道每種元素變成離子狀態(tài)的尺寸大小，才能將元素釹離子摻進(jìn)YAG這種化合物中去。如果想要換一種性能，也許只要改變不同摻雜的元素就可以，這就是根據(jù)應(yīng)用需求來帶動(dòng)材料的研發(fā)。而材料基因組計(jì)劃的實(shí)施無(wú)疑將加快優(yōu)化工藝的速度、促進(jìn)優(yōu)化后新材料的共享。

　　問：從已有的材料看，材料基因組和新能源的關(guān)系很密切，為什么？

　　答：因?yàn)樾履茉磫栴}說到底就是材料問題：譬如電動(dòng)車最基本可選用的有鋰電池、太陽(yáng)能電池、燃料電池等等，而這些沒有好的材料和工藝就做不出來。全世界有無(wú)數(shù)人在研究鋰電池兩極的材料，到目前還沒有很好解決。能源材料還有個(gè)效益問題，不是可以做出來就完事了，而且價(jià)格也不能過高，否則人家用不起?，F(xiàn)在新能源車比汽油車價(jià)格高，買的人就少。另外充電也是個(gè)問題。如果材料上能取得某種突破，或許能解決現(xiàn)在新能源車推進(jìn)中的一些實(shí)際而棘手的問題，這樣新能源車的推廣也就容易多了。

　　問：奧巴馬最近提出要復(fù)興美國(guó)的制造業(yè)，其中也專門提到材料基因組計(jì)劃，如此重視材料，深意何在？

　　答：從大的方面來講，新材料產(chǎn)業(yè)已被世界公認(rèn)為最重要、發(fā)展最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。新材料與信息技術(shù)、生物技術(shù)共同構(gòu)成了當(dāng)今世界高新技術(shù)的三大支柱，成為產(chǎn)業(yè)進(jìn)步、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保證國(guó)防安全的重要推動(dòng)力。因此，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都高度重視新材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全中的基礎(chǔ)地位和支撐作用，為保持其經(jīng)濟(jì)和科技的領(lǐng)先地位，都把發(fā)展新材料作為科技發(fā)展戰(zhàn)略的優(yōu)先目標(biāo)，在制定國(guó)家科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃時(shí)，無(wú)不將新材料列為優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，給予重點(diǎn)關(guān)注。

　　除了上述背景外，美國(guó)提出“材料基因組計(jì)劃”還有一個(gè)現(xiàn)實(shí)的目的，就是希望通過材料科學(xué)技術(shù)的帶動(dòng)，能使美國(guó)繼續(xù)保持其在核心科技領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，提升其先進(jìn)制造業(yè)能級(jí)，從而促進(jìn)美國(guó)制造業(yè)的復(fù)興，保持美國(guó)在全球的競(jìng)爭(zhēng)力。有人指出，美國(guó)最近提出的再工業(yè)化或復(fù)興制造業(yè)，不會(huì)是簡(jiǎn)單地回到傳統(tǒng)的制造業(yè)，他們所謂的制造業(yè)多半是基于高新技術(shù)支撐的先進(jìn)制造業(yè)，其中一定離不開先進(jìn)材料的支持，而材料基因組計(jì)劃的實(shí)施無(wú)疑會(huì)對(duì)此起到重要作用。

　　問：國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界對(duì)“材料基因組計(jì)劃”怎樣看？會(huì)有一些具體行動(dòng)嗎？

　　答：這確實(shí)是一個(gè)值得追問的話題。簡(jiǎn)單回顧一下十多年前的“人類基因組計(jì)劃”，中國(guó)盡管在后期也有少量的參與，但是坦率地講，并沒有能抓住那次重大科學(xué)計(jì)劃的先機(jī)。因此，面臨比“人類基因組計(jì)劃”更為重要和廣泛的“材料基因組計(jì)劃”，我們不能再次喪失歷史機(jī)遇。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)有關(guān)部門已經(jīng)在這方面有所行動(dòng)。去年12月21日，以“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”為主題的香山科學(xué)會(huì)議在北京舉行，會(huì)議名譽(yù)主席、兩院院士師昌緒先生提出：“發(fā)展制造業(yè)，材料是基礎(chǔ)，計(jì)算材料科學(xué)有很強(qiáng)的生命力。”師昌緒先生提議建立材料領(lǐng)域的兩個(gè)“組學(xué)”，一個(gè)是結(jié)構(gòu)材料組，一個(gè)功能材料組，從人工晶體（中國(guó)在該領(lǐng)域的創(chuàng)新方面有自己的特色）出發(fā)，對(duì)晶體的結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)工藝、應(yīng)用方面做一些系統(tǒng)考慮。

　　歸根結(jié)底，就是對(duì)新材料有更快速度的要求，加快新材料、新工藝的出現(xiàn)。中國(guó)工程院咨詢服務(wù)中心主編的《工程科技與產(chǎn)業(yè)政策信息》也在去年編印了兩本介紹“材料基因組計(jì)劃”的專輯?？梢哉f，國(guó)內(nèi)材料學(xué)科的領(lǐng)軍者已經(jīng)充分意識(shí)到這件事的重要價(jià)值并開始有所行動(dòng)，但就面上來說，還處于調(diào)研起步階段，談不上有整體的設(shè)計(jì)和考慮。而產(chǎn)業(yè)界也未見有什么反應(yīng)。這是令人憂慮的。

　　問：中國(guó)如要推動(dòng)實(shí)施“材料基因組”計(jì)劃，最需要做的是什么？上海在這方面有什么優(yōu)勢(shì)？

　　答:我在“十二五”規(guī)劃聽取意見的時(shí)候已經(jīng)提出過，最重要的是建立材料科學(xué)的平臺(tái)，上海是有這個(gè)優(yōu)勢(shì)的，這個(gè)平臺(tái)包括材料基因組計(jì)劃所需要的數(shù)據(jù)庫(kù)、工藝流程、大量的原始數(shù)據(jù)以及國(guó)內(nèi)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鹽研究所和國(guó)內(nèi)相關(guān)研究所研究各種晶體，在通過大量摻雜數(shù)據(jù)和由此產(chǎn)生新晶體和新功能方面有不少數(shù)據(jù)，如果別人能夠查閱到這些數(shù)據(jù)，就能避免將已經(jīng)探索過的路再走一遍。

　　要公開自己積累的數(shù)據(jù)不是那么容易的，但為了材料基因組的這項(xiàng)大計(jì)劃必須統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，放棄某些既得利益。美國(guó)麻省理工學(xué)院和勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在奧巴馬總統(tǒng)宣布材料基因組計(jì)劃后就宣布向公眾開放了15000種材料的相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　所以，第一步是公開數(shù)據(jù)并建立公共數(shù)據(jù)庫(kù)，第二步則是利用已知的數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬和優(yōu)化。我們現(xiàn)在用的計(jì)算機(jī)軟件大多是向國(guó)外購(gòu)買的，現(xiàn)在做一些材料的應(yīng)力分析，還是要去購(gòu)買國(guó)外軟件包。公共數(shù)據(jù)庫(kù)建不起來，效率是提不高的，因此，需要有大批計(jì)算材料科學(xué)和軟件科學(xué)家的積極參與。

　　另外，中國(guó)現(xiàn)在還面臨一個(gè)企業(yè)參與缺失的問題，現(xiàn)在的情況是我們的研究產(chǎn)品要推廣，愿意接受的企業(yè)寥寥，因此要在建設(shè)這個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，讓企業(yè)參與進(jìn)來，在這方面，民營(yíng)企業(yè)的創(chuàng)新熱情可能比一些國(guó)企高，他們會(huì)更注意研發(fā)單位的新產(chǎn)品，愿意和研究單位合作。