在美國2012年財政預算中，新增了1億美元用以支持一項名為“材料基因組”的創新計劃。這個試圖揭示物質構成、不同元素排列與材料功能之間關系，進而實現有目的設計新材料的科學工程，有著更強烈的實用和需求背景，也是美國為保持其在先進材料及高端制造業領域領先地位的一大舉措。本報記者專訪我國材料研究專家、中科院上海硅酸鹽所江東亮院士，請他介紹這項繼人類基因組計劃之后，又一重大的科學工程項目。

　　——編者

　　問：什么是材料基因組？材料基因組計劃和人類基因組計劃有相似之處嗎？

　　答：“材料基因組”一詞，應該是受了“人類基因組計劃”極大的影響。這兩個計劃雖然針對的對象完全不同，但是其最大的相似點是兩者都是從對研究對象最基本組份（一為核苷酸-基因-細胞，一為原子-分子-化合物）的了解出發，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計劃存在內在邏輯上的關聯。從材料來講，只有知道元素不同的排列組合以及它的性能，才能發展出的新的材料。原子分子不同的排列組合必然導致功能上的巨大差異。如同人類基因序列上的不同排列會導致各種疾病，材料元素組合上的缺陷，也必然會對最終形成的材料本身的功能帶來巨大的差異。材料學家希望盡可能做到材料缺陷最少，但也可能因為一些意想不到的排列產生“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點結合起來，就能形成一種新的更好的復合型材料。火箭和導彈的頭部所用的基本都是復合材料，導彈鉆入大氣層時因為速度太快，表面摩擦可產生約3000℃的高溫，一般材料很難耐受如此高溫，所以必須創造一種新的材料。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“發汗材料”，但是發汗材料因過重而不合適，后來發展到碳纖維復合材料，既耐高溫，又有強度，表面涂層又能抗氧化，即使燒掉，結構還在。

　　另外，材料基因組還要結合已知的、可靠的實驗數據，用理論和計算模擬去嘗試發現新的未知材料，并建立其化學組分、晶體結構和各種物性的數據庫，利用信息學、統計學方法，通過數據挖掘探尋材料結構和性能之間的關系模式，為材料設計師提供更多的信息。簡言之，我的理解，實施材料基因組計劃是希望從根本上加深對物質構成的認識。

　　問：與傳統的新材料研制相比，材料基因組會帶來哪些變化？

　　答：現階段材料研發大致是從實驗室研發到產品這樣一種直線型的模式，周期很長。據統計現在一種材料從研究開發到形成商用產品，平均周期是18年，通常一種新藥的整個開發周期是10年，新材料的研制周期顯然要長得多。

　　而材料基因組的做法是把傳統的研發到產品這樣一種過程整個翻轉過來，即從應用需求出發，反求倒推到符合相應結構功能的材料。這樣一種顛覆性的改變意味著需要對各種材料有足夠多的認識和積累，包括結構組成、性能、工藝優化等。我們現在可以用計算機模擬溫度、濕度、氣氛、應力、強度等參數的變化，來獲得優化工藝和性能，這樣就大大加快了研發進度，通過計算機模擬工藝進程，改變某些參數，就能得到相應的結果，這樣可以少走彎路。因為試驗階段是最花時間和精力的，耗費也最大。

　　這些手段和條件方面的進步使得新材料的產出周期縮短成為可能。所以“材料基因組計劃”很重要的目標之一就是要把新材料的產出速度至少翻一番，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是利用已知元素的特性來有目的地改變材料性能，材料學家是怎樣做到這一點的？

　　答：舉個晶體的例子。一般晶體（即人們俗稱的寶石）都是天然的，現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構，那么在人為制造的幾千個大氣壓和2000℃的環境溫度下，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天然晶體的結構研究得非常清楚，因為不同的結構、元素有不同的性質，有意識地改變這些特性，就能發明一種新晶體，或者發現晶體的某種新功能。比如硅酸鹽所的拳頭產品BGO（B=鉍G=鍺，鍺酸鉍），就是一種應用在醫療儀器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，就會在接受版上顯示影像，醫生根據影像強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，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，有時候量和位置不同，性能也就大相徑庭。材料學家通常用晶胞位置，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，材料學家需要知道每種元素變成離子狀態的尺寸大小，才能將元素釹離子摻進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，這就是根據應用需求來帶動材料的研發。而材料基因組計劃的實施無疑將加快優化工藝的速度、促進優化后新材料的共享。

　　問：從已有的材料看，材料基因組和新能源的關系很密切，為什么？

　　答：因為新能源問題說到底就是材料問題：譬如電動車最基本可選用的有鋰電池、太陽能電池、燃料電池等等，而這些沒有好的材料和工藝就做不出來。全世界有無數人在研究鋰電池兩極的材料，到目前還沒有很好解決。能源材料還有個效益問題，不是可以做出來就完事了，而且價格也不能過高，否則人家用不起。現在新能源車比汽油車價格高，買的人就少。另外充電也是個問題。如果材料上能取得某種突破，或許能解決現在新能源車推進中的一些實際而棘手的問題，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興美國的制造業，其中也專門提到材料基因組計劃，如此重視材料，深意何在？

　　答：從大的方面來講，新材料產業已被世界公認為最重要、發展最快的高新技術產業之一。新材料與信息技術、生物技術共同構成了當今世界高新技術的三大支柱，成為產業進步、國民經濟發展和保證國防安全的重要推動力。因此，工業發達國家都高度重視新材料在國民經濟和國防安全中的基礎地位和支撐作用，為保持其經濟和科技的領先地位，都把發展新材料作為科技發展戰略的優先目標，在制定國家科技與產業發展計劃時，無不將新材料列為優先發展的關鍵技術之一，給予重點關注。

　　除了上述背景外，美國提出“材料基因組計劃”還有一個現實的目的，就是希望通過材料科學技術的帶動，能使美國繼續保持其在核心科技領域的優勢，提升其先進制造業能級，從而促進美國制造業的復興，保持美國在全球的競爭力。有人指出，美國最近提出的再工業化或復興制造業，不會是簡單地回到傳統的制造業，他們所謂的制造業多半是基于高新技術支撐的先進制造業，其中一定離不開先進材料的支持，而材料基因組計劃的實施無疑會對此起到重要作用。

　　問：國內學術和產業界對“材料基因組計劃”怎樣看？會有一些具體行動嗎？

　　答：這確實是一個值得追問的話題。簡單回顧一下十多年前的“人類基因組計劃”，中國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計劃的先機。因此，面臨比“人類基因組計劃”更為重要和廣泛的“材料基因組計劃”，我們不能再次喪失歷史機遇。事實上，國內有關部門已經在這方面有所行動。去年12月21日，以“材料科學系統工程”為主題的香山科學會議在北京舉行，會議名譽主席、兩院院士師昌緒先生提出：“發展制造業，材料是基礎，計算材料科學有很強的生命力。”師昌緒先生提議建立材料領域的兩個“組學”，一個是結構材料組，一個功能材料組，從人工晶體（中國在該領域的創新方面有自己的特色）出發，對晶體的結構、生長工藝、應用方面做一些系統考慮。

　　歸根結底，就是對新材料有更快速度的要求，加快新材料、新工藝的出現。中國工程院咨詢服務中心主編的《工程科技與產業政策信息》也在去年編印了兩本介紹“材料基因組計劃”的專輯。可以說，國內材料學科的領軍者已經充分意識到這件事的重要價值并開始有所行動，但就面上來說，還處于調研起步階段，談不上有整體的設計和考慮。而產業界也未見有什么反應。這是令人憂慮的。

　　問：中國如要推動實施“材料基因組”計劃，最需要做的是什么？上海在這方面有什么優勢？

　　答:我在“十二五”規劃聽取意見的時候已經提出過，最重要的是建立材料科學的平臺，上海是有這個優勢的，這個平臺包括材料基因組計劃所需要的數據庫、工藝流程、大量的原始數據以及國內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內相關研究所研究各種晶體，在通過大量摻雜數據和由此產生新晶體和新功能方面有不少數據，如果別人能夠查閱到這些數據，就能避免將已經探索過的路再走一遍。

　　要公開自己積累的數據不是那么容易的，但為了材料基因組的這項大計劃必須統一認識，放棄某些既得利益。美國麻省理工學院和勞倫斯·伯克利國家實驗室在奧巴馬總統宣布材料基因組計劃后就宣布向公眾開放了15000種材料的相關數據。

　　所以，第一步是公開數據并建立公共數據庫，第二步則是利用已知的數據用計算機進行模擬和優化。我們現在用的計算機軟件大多是向國外購買的，現在做一些材料的應力分析，還是要去購買國外軟件包。公共數據庫建不起來，效率是提不高的，因此，需要有大批計算材料科學和軟件科學家的積極參與。

　　另外，中國現在還面臨一個企業參與缺失的問題，現在的情況是我們的研究產品要推廣，愿意接受的企業寥寥，因此要在建設這個平臺的基礎上，讓企業參與進來，在這方面，民營企業的創新熱情可能比一些國企高，他們會更注意研發單位的新產品，愿意和研究單位合作。