神奇的“材料基因工程”計(jì)劃

“材料基因”構(gòu)想最初在2011年由美國(guó)提出。它的提出主要是想重振美國(guó)制造業(yè)，將材料研究過(guò)程在原來(lái)的基礎(chǔ)上縮短一半、成本降低一半。因?yàn)椴牧峡茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種材料從發(fā)現(xiàn)到投入使用大約需要十幾年，這個(gè)過(guò)程太過(guò)漫長(zhǎng)，會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間成本、價(jià)錢(qián)成本。如果能將這個(gè)時(shí)間縮短一半，將對(duì)美國(guó)制造業(yè)的重振提供幫助。傳統(tǒng)意義上的材料是將集中材料混合，觀察它能否體現(xiàn)新的性能，但這樣一種方式必定會(huì)消耗大量時(shí)間。出于加快這個(gè)周期的愿望，科學(xué)家才提出了“材料基因工程”。

在這里，大家千萬(wàn)不要將材料基因計(jì)劃跟人類(lèi)的基因工程相混淆。對(duì)元素進(jìn)行研究要從元素的原子結(jié)構(gòu)出發(fā)，涉及元素的化學(xué)、物理、電子等層面，最后再進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。使用高通量的計(jì)算機(jī)、高通量的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行研究和探索，可以加速材料科學(xué)的發(fā)展。

首先通過(guò)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理，科學(xué)家就可以把現(xiàn)有元素所有的物理、化學(xué)特性集中起來(lái)，然后人為地設(shè)計(jì)它們的成分和性能，再通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬就能檢驗(yàn)這種方法是否可行。高通量的實(shí)驗(yàn)利用一種類(lèi)似于芯片的技術(shù)。科學(xué)家把芯片分隔成128個(gè)或者256個(gè)區(qū)間，然后放到真空裝備里進(jìn)行涂膜，這樣就能根據(jù)需求來(lái)調(diào)配每個(gè)區(qū)間的材質(zhì)，等于一次制作了256個(gè)不同的組分以供研究人員對(duì)其進(jìn)行快速分析測(cè)定。這就叫做高通量實(shí)驗(yàn)，配合高通量計(jì)算來(lái)確定大概的范圍，最后再用高通量實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步選定，就能大大縮短材料研發(fā)過(guò)程。

美國(guó)在一些重要領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研究工作，包括新能源，如鋰電池、熱電材料的研究。本報(bào)整理