解決中國制造“卡脖子”難題，揭秘中國材料基因工程

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不久前，中國工程院國際工程科技戰(zhàn)略高端論壇暨第三屆材料基因工程高層論壇順利舉行。論壇旨在進一步促進材料基因工程基礎(chǔ)理論、前沿技術(shù)和關(guān)鍵裝備的發(fā)展和應用，加強國際交流，加速我國新材料的研發(fā)和應用。

近幾年來，新材料的“孕育”正在我國加速前進。據(jù)悉，我國目前已形成了全球門類最全、品種與產(chǎn)量規(guī)模第一的材料產(chǎn)業(yè)體系，材料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約占我國GDP的23%，2018年新材料產(chǎn)值3.9萬億元。但是，目前我國在先進高端材料研發(fā)和生產(chǎn)方面差距甚大，關(guān)鍵高端材料遠未實現(xiàn)自主供給。

于是，中國提出運用材料基因工程的方法來創(chuàng)新研制新材料，成為科技創(chuàng)新的重點和熱點之一。

“大國重器”的“脊梁”

中國材料基因工程是什么？

它堪稱“大國重器”的“脊梁”。

自古至今，材料一直是物質(zhì)進步的基石。以人類社會發(fā)展而言，我們跨步邁過了石器時代、青銅時代、鐵器時代……

到了近代，世界發(fā)生了五次科學和技術(shù)革命：近代物理學的誕生，蒸汽機和機械革命，電氣和運輸革命，相對論和量子論革命，電子和信息革命……每次科技革命都帶動了人類社會質(zhì)的飛躍。

科學家猜測，不久的將來，第六次科技革命將閃亮登場。它將是一場新生物學和再生領(lǐng)域的革命。在這場科技革命中，材料科學將作為重要組成，扮演重要角色。

中國制造業(yè)穿越了發(fā)達國家?guī)装倌甑墓I(yè)化歷程，創(chuàng)造了人類發(fā)展史上的奇跡。中國被公認為“世界第一制造業(yè)大國”、驅(qū)動全球工業(yè)增長的“重要引擎”。

但是，中國制造“卡脖子”難題仍然存在?？萍疾扛咝录夹g(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化司副司長曹國英在論壇上強調(diào)：“國家針對信息顯示、運載工具、能源動力、高檔數(shù)控機床和機器人等幾大領(lǐng)域的347種關(guān)鍵材料的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，被國外禁運和實施出口管制的材料達到61種，依賴進口156種。”

這是個令人“觸目驚心”的數(shù)字。

并且，在我國處于領(lǐng)先的一些行業(yè)和企業(yè)的材料器件應用情況，更加不得不令人重視。

“以高鐵為例，輪、軸、軸承等走行部件90%依賴進口?！?/p>

“在5G技術(shù)方面，射頻器件和數(shù)字電路新品等基礎(chǔ)材料及關(guān)鍵器件依賴美、日等國?！?/p>

“我國集成電路制造業(yè)所需的八大類器材中，12英寸硅片、光刻膠、氟聚酰亞胺膠等近千種關(guān)鍵材料大量依賴進口，高端引線框架、接插件材料也依賴進口?！?/p>

在新材料領(lǐng)域，我國創(chuàng)新力不足，資源保護和利用能力不強，這將阻礙中國“制造強國”的發(fā)展進程。

如何解決這一難題？我國科學和技術(shù)專家聯(lián)合想出了一個極具前瞻性的辦法：實施“中國材料基因工程”。

這一工程將促成材料科技的革命性發(fā)展，有效解決新材料發(fā)展的瓶頸問題。

材料基因的豐富內(nèi)涵

談到“基因工程”，第一時間閃現(xiàn)在我們腦海里的是氣勢恢宏的“人類基因組計劃”。它于1990年啟動，美、英、法、德、日和我國等科學家共同參與，預算達數(shù)十億美元?？茖W家們要搞清楚的是，人體內(nèi)的約2.5萬個基因密碼。這一計劃通過測定組成人類染色體中30億個堿基對組成的核苷酸序列，繪制出人類基因組圖譜，辨識基因及其序列，最終達到破譯人類遺傳信息的目的。

那么，材料領(lǐng)域的“基因計劃”又涵蓋了哪些內(nèi)容呢？

首先，我們要弄懂一個基本名詞：材料的“基因”。

雖然各國眾說紛紜，但科學家們的觀點有共同之處，即材料基因指的是材料的原子、分子、功能團等，組成了該材料的基本單元。不同材料基本單元并非唯一，可以是自然存在的原子、分子、電子、離子、單一相等物質(zhì)粒子，也可以是上述物質(zhì)組合而成的團簇、單元或組合。

這些基本單元的排列順序及缺陷結(jié)構(gòu)，決定了該材料的性質(zhì)和功能。它們被延伸到制造業(yè)工藝中，又生成了各異的加工工藝。

仿如探測“宏大”的寶藏，一旦搞懂了每一種材料的“基因”，我們就可以探索出各種材料體系的成分、組織、工藝、性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系，而這些，就構(gòu)成了材料設(shè)計的基礎(chǔ)。

材料基因工程是近年來國際材料領(lǐng)域興起的顛覆性前沿技術(shù)，它的基本理念是融合材料高通量計算、高通量實驗和材料大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過協(xié)同創(chuàng)新，加速新材料的設(shè)計和研發(fā)。

基于新材料研發(fā)的戰(zhàn)略意義，美國、歐盟相繼啟動了“材料基因組計劃”，以滿足新興制造業(yè)對高性能新材料的需求。

以美國“材料基因組計劃”為例，它的首要目標是促進材料行業(yè)全體參與者，包括政府部門、工業(yè)部門、專業(yè)社團以及學術(shù)界的大力合作。材料基因組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括計算工具、實驗工具、數(shù)字化數(shù)據(jù)以及協(xié)作網(wǎng)絡。該計劃希望通過材料數(shù)據(jù)的私密性和公開性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，擴大實驗儀器、模擬計算工具、材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可獲取性，把發(fā)現(xiàn)、開發(fā)、生產(chǎn)和應用先進材料的速度提高一倍，從而保持美國的全球競爭力。

比較有趣的一點是，材料基因工程是一種設(shè)計預測型材料研發(fā)模式。即有機構(gòu)先提出需求，創(chuàng)新機構(gòu)根據(jù)這些需求，從龐大的材料數(shù)據(jù)庫中，做各種性能計算、篩選和設(shè)計，制造出最貼近“買家”需求的“寶貝”。

用“行話”來說，就是做大量的交叉融合的高通量模擬計算、高通量實驗和材料大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，使科學家們更快速地發(fā)掘出特定材料體系的成分、組織、工藝、性能間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，使得新材料研發(fā)效率更高、成本更低。

傳統(tǒng)的材料研發(fā)方法是，科學家們把自己“關(guān)”在實驗室里，運用他們強大的大腦（材料理論和知識儲備），對每種材料逐個“試錯”，做材料配比、表征測驗，最終找到滿足需求的材料。用這種方法，新材料從研發(fā)到應用，需要至少20年時間。

材料基因工程出現(xiàn)后，把傳統(tǒng)的材料“研發(fā)—產(chǎn)品”過程做了個大翻轉(zhuǎn)，從需求倒推符合結(jié)構(gòu)功能的材料。這一做法使得新材料研發(fā)和應用的周期縮短到5-10年。

換句話說，利用材料基因工程的平臺和先進技術(shù)，幾年內(nèi)就可能取得新材料成果。

五大創(chuàng)新平臺作支撐

截至目前，中國材料基因工程通過突破高通量計算方法、高通量實驗方法、材料大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技術(shù)，建成了中國材料基因工程創(chuàng)新平臺，希望達到新材料研發(fā)周期縮短一半研發(fā)成本降低一半的目的。

中國工程院院士干勇介紹，我國已啟動的五大科技平臺中，處于首位的就是材料基因組的研發(fā)平臺。

目前，我國“3+1”綜合性國家科學中心創(chuàng)新體系已在布局，在北京懷柔的材料基因組平臺，正力爭在新型高溫超導體和金屬氫的發(fā)展、非常規(guī)超導機理、量子計算物理機制、新型量子材料的復雜相變、物性的超快調(diào)控和晶格振動實時成像等重大科學問題取得新的突破，并在清潔能源、特種功能、高溫合金和高強輕質(zhì)復合材料等關(guān)鍵新材料技術(shù)上取得突破。

2017年5月31日，北京市懷柔科學城五個交叉研究平臺項目已全部開工建設(shè)。其中，材料基因組研究平臺項目是懷柔科學城配套跨學科交叉研究平臺中重大科研項目之一，將建成我國首個、世界上規(guī)模最大、手段最齊全的材料基因組研究平臺，并將以我國先進量子材料為突破口，迅速直接產(chǎn)出原創(chuàng)性的基礎(chǔ)研究成果。

除此之外，在上海，超強超短激光實驗裝置，暗物質(zhì)與中微子、實驗室天體物理、拓撲超導量子計算三大實驗平臺正式開建。在深圳，已經(jīng)初步建成“云腦”“靶場”“云網(wǎng)”三大科學裝置。在合肥，同步輻射光源、穩(wěn)態(tài)強磁場等大學技裝置正為新材料的研發(fā)發(fā)揮越來越重要的作用。此外，以云南稀貴金屬材料基因組為代表的各種材料基礎(chǔ)平臺陸續(xù)立項。一些專業(yè)軟件公司基于材料基因組技術(shù)，開始為行業(yè)提供大數(shù)據(jù)、技術(shù)計算、人工智能協(xié)同創(chuàng)新服務。

目前來看，我國新材料研發(fā)體系正在形成，涵蓋從基礎(chǔ)工程到場景應用，初步形成了完整的生態(tài)鏈。

謝建新認為，“目前我國材料基因工程領(lǐng)域的研究存在較大的優(yōu)勢。國家的快速響應、地方政府和社會的積極參與、材料科技界的高度重視、大學相關(guān)人才培養(yǎng)的跟進，使我國在該領(lǐng)域的研究擁有一定的基礎(chǔ)，而且有國家重點專項牽引，從關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、平臺建設(shè)、典型材料研發(fā)示范等各個方面全面布局推進，初步成效顯著?！?/p>

但與此同時，“未來幾年是我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵時期，制造強國建設(shè)為新材料產(chǎn)業(yè)提供了廣闊的市場空間，也對新材料研發(fā)速度、研發(fā)成本、質(zhì)量、性能等提出了更高的要求?！惫I(yè)和信息化部原材料司副司長常國武建議，“我國發(fā)展材料基因工程，還需要進一步加速新材料研發(fā)產(chǎn)業(yè)化和應用的銜接，充分利用國家新材料測試評價平臺、新材料生產(chǎn)應用示范平臺和新材料資源共享平臺，促進數(shù)據(jù)信息設(shè)施共用共享，同時進一步營造良好的人才成長環(huán)境，加快培養(yǎng)一批國際化復合型人才。”

有專家表示，未來的社會是數(shù)字社會，數(shù)字社會的材料一定要數(shù)字化，從某種意義上而言，材料數(shù)字化意味著必須建立數(shù)據(jù)接口，才能實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。而材料基因工程，通過大數(shù)據(jù)、人工智能方法的應用，將從材料層面促成“萬物互聯(lián)”社會的來臨。更具戰(zhàn)略性意義的一點是，它將從基礎(chǔ)層面來解決中國制造“卡脖子”難題，從而有力地推動中國“制造強國”的可持續(xù)發(fā)展進程。