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《美国材料基因组计划》2014年12月最新版,新材料在线独家重磅发布

新材料在线2018-11-08 10:26:35

1 简介


2011年6月24日,美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿美元的“推进制造业伙伴关系”计划,通过政府、高校及企业的合作来强化美国制造业,投资逾1亿美元的“材料基因组计划”(Materials Genome Initiative)是其组成部分之一。


2 背景


自上个世纪八十年代起,技术的革新和经济的发展越来越依赖新材料的进步。目前,从新材料的最初发现到最终工业化应用一般需要10~20年的时间。例如,作为目前移动电子设备所用的Li电池,从上世纪70年代中期实验室原型到90年代晚期应用,前后花了近20年时间,但是至今还没能应用到电动汽车上,很明显,新材料的研发步伐严重滞后于产品的设计。


当前,面对竞争激励的制造业和快速的经济发展,材料科学家和工程师必须缩短新材料从发现到应用的研发周期,以期来解决21世纪的巨大挑战。然而,当前的新材料研发主要依据研究者的科学直觉和大量重复的“尝试法”实验。其实,有些实验是可以借助现有高效、准确的计算工具,然而,这种计算模拟的准确性依然很弱。制约材料研发周期的另一因素是从发现、发展、性能优化、系统设计与集成、产品论证及推广过程中涉及的研究团队间彼此独立,缺少合作和相互数据的共享以及材料设计的技术有待大幅度提升。


图1 新材料研发周期示意图


3 目标


《材料基因组计划》拟通过新材料研制周期内各个阶段的团队相互协作,加强“官产学研用”相结合,注重实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享,目标是把新材料研发周期减半,成本降低到现有的几分之一,以期加速美国在清洁能源、国家安全、人类健康与福祉以及下一代劳动力培养等方面的进步,加强美国的国际竞争力。


4 主要内容和手段


2011年MGI白皮书,《全球竞争力的材料基因组项目》,描述了材料创新的基础设施,包括先进的计算、实验和数据信息学工具,连同材料科学与工程的协作、集成研究范式7,8。“MGI方法”寻求独特的和无缝集成的计算、试验和数据来推动新材料的成功发现、更快速的部署和工业化。


美国《材料基因组计划》的整个目标和具体内容


5 关键挑战

四个关键挑战已经被认定为当前材料科学与工程和材料基因组计划(MGI)对未来设想之间的障碍。


  • 在材料研究,开发和部署中的文化转变


MGI面临的一个重大挑战是如何建立机制, 这个机制通过促使理论家和实验家、以及学术界、国家和联邦实验室和工业界的深度合作,促进材料连续开发中的信息畅通。更深层次的整合实验、计算和理论,以及对数字材料数据的日常使用,代表常规材料科学与工程研究方法的转变。


  • 实验、计算和理论的整合


MGI工作的核心被定义为:从实验、计算和理论中获取的整合、协同的工作流程。材料研究所需的极大时间长度,是创造这种可定量、可预测的科学与工程工具的最大挑战。材料创新基础设施的重要组成部分包括:发展通过试验数据建立的先进模拟工具、分享有价值的模型和分析代码的网络、以及定量合成和表征工具的访问权。


  • 数字化数据的访问


创建一个数字化数据的基础设施,不仅可以存储各种包罗万象的数据,而且可以快速准确的检索,但创建这个数据库的工作对于包括材料科学与工程等很多学科都是一个挑战。整个材料界都面临的技术准备水平的挑战,包括:让使用者意识到工具和数据的存在;定义和实施已被广泛认可的管理结构。平衡安全要求与数据可用性及可发现性;制定描述数据和评估数据质量标准。满足MGI的愿景将需要广泛和公开访问的已验证的数据和工具,来实现重用单个数据集和数据分析技术的应用,以检查大量不同来源的数据聚合。


  • 精良的劳动力


即使有大量可访问数据基础架构和新的实验计算整合工具以及数据在发展,从事材料的发现,开发和部署的下一代材料科学家和工程师必须能够熟练地使用这些工具来实现MGI预示的结果。


6 战略目标


  • 在材料研究,开发和部署中的文化转变

为了达到降低材料发现到开展过程的时间和成本的愿景,MGI必须推动社区生产和使用材料的研究与发展(R&D)和商业活动的方式的转变。

  • 集成实验、计算和理论

MGI强调来自基层科学研究与加工、制造和材料部署的工具、理论、模型和数据的整合。材料创新的基础设施将通过提供访问包含已知材料的数据属性,以及预测这些新的和正出现的材料特征的计算和实验工具来实现这种集成。

  • 材料数据的方便获取

高质量的材料数据的获取对于实现MGI提出的进展至关重要。材料的数据可以被输入建模活动,作为知识发现的媒介,或者作为验证预测的理论和技术依据。

  • 装备下一代材料劳动力

为了国家和研究机构充分利用前面章节中所述的MGI框架,下一代材料劳动力必须在这些新的研究方法中进行培训。学生将需要访问教育,使他们在团队工作中富有成效,他们的专业知识覆盖了广泛的材料范围,从合成和表征,到理论和模型,甚至设计和制造。


7 国家目标


  • 国家安全

国防部(DOD),能源部国家核安全管理局(NNSA)和国防实验室部正在显著投资明确的国家安全的材料研究。虽然国防部采用了先进材料,以帮助保护和武装美国军队,国家核安全局采用先进的材料,以确保美国核武威慑的安全性和有效性,材料也在国家安全等诸多领域发挥了作用。

  • 人类健康和福利

先进材料对持续提供负担得起的、丰富的和环境负责的生活必需品是关键的,包括食物、水、住房和医疗保健商品。

  • 清洁能源系统

虽然国家能源组合的能源需求预计在未来20年将仅观察适度增加,用于支持能源基础设施的设备和工具将显著改变。预计在未来20年的全球需求将增加约50%,需要支持快速材料的开发是非常重要的,如果供应链是维护的,尤其是对新技术。

  • 基础设施和消费品

除了前面讨论的三个部门,有无数的其他技术和基础设施有助于国家经济的繁荣和继续开发必要的新材料。例如,更持久的、更安全的桥梁和道路可以通过具体设计的进步更好。


8 重点发展领域


  • 生物材料

过去的二十年,生物材料领域发生了重大转变。五十年前,在生物医学应用中使用的的材料是已知的其他技术的应用,包括,例如金属和聚合物用于重建病变关节或更换大血管段。今天,该领域不仅包括在该领域的人体组织修复,也包括仿生学。仿生学是指由仿生生物材料和生物系统合成结构。生物材料仍然是一个价值数十亿美元,能够拯救生命和提高人类福利的产业,。

在MGI的目标中,追求四个不同的方向,国家和全球利益,健康,能量,和可持续,应该都得到进步:(1)人体组织和器官再生的生物活性材料;(2)仿生材料,与肌肉传递能量方式相同,自组装成的层次结构,自我修复,或适应环境;(3)生物组装材料,涉及利用生物材料,尤其是新的细胞遗传基因操纵;和(4)新材料的发现,可以调节生物系统的功能界面的生物,如细菌或干细胞,可以应用在包括传感,再生,药物发现,或燃料生产。这四个方面是一个具有丰富的经济竞争力的可持续发展的新技术的来源。

  • 催化剂

催化剂是一种活性物质,其中的活性位点以及其工作环境是决定所需的产品的性能的关键。催化剂对许多美国的工业部门,包括能源,化工,制药都是一个有利的关键技术。例如,一种催化剂的发展能促进有效利用水资源,将彻底改变能源行业和显着减少二氧化碳排放。

  • 聚合物复合材料

由于聚合物复合材料高度特异性的力学性能,最初用于航空航天应用的开发。这些材料现在正在经历在其他行业的快速商业化,包括汽车和体育用品行业。能够针对特定应用定制属性,这是通过成分选择和放置为产品设计提供高度优化的组件实现的。这种定制特定属性的能力为设计多功能高分子复合材料,提供了一个令人兴奋的新的机会,从而使产品设计有效地结合了机械,电气,热,光,和磁性能。

  • 关联材料

最近发现的新技术材料具有非凡的性能,这是由于材料的原子结构中电子的相互作用的结果。这些关联电子材料的例子包括高温超导体,自旋电子材料,磁性材料,巨磁电阻材料,和拓扑绝缘体。了解和预测这些材料的行为,需要超越简单的只考虑价电子非交互的,单一实体的理论和模型。MGI将为这些材料的可预测性提供可能,就像传统半导体提供了潜在的解决方案,MGI将为使用这些材料的一些国家的主要技术难题开辟新的机会。

  • 电子和光子材料

通过电子和光电子产业生产的设备和组件对几乎所有的应用领域,从国家安全,到能源,到人类福利都是至关重要。在电子和光电子产业的成熟和规模都是非凡的同时,电子和光子材料的改进,以及用于生产设备的制造过程是支持持续的性能改进和国内技术领先的必要。

  • 储能材料系统

可靠的能量存储的需求横跨个人,政府,和军事部门,对国民福利非常重要。能量存储系统应用广泛;储能装置包括工厂和住宅的大量设备需求,以及电动汽车,医疗设备,和其他应用领域的小的便携式设备。快速、高效的存储介质的充电和放电的稳定性是是否是先进系统的重要依据。电荷释放率和一个快速释放的电容器的存在具有同样重要性,一端是快速释放的电容器,另一端的电池,两者之间是超级电容器。理解和控制材料和界面在充电和放电中的作用正在驱动所有的研究。

  • 轻质结构材料

汽车,航空航天,重型机械,船舶,铁路,家电,建筑行业为美国国内生产总值贡献了大约五千亿美元。所有这些部门依赖使用轻质结构材料来提高产品的竞争力。

  • 有机电子材料

基于碳,打印,和灵活的电子行业在未来几年可以实现100亿美元或更多的经济影响,影响产业如照明,显示器,传感器,能源转换和存储,医疗诊断,生物电子学,环境监测,和许多其他行业。40这些材料不仅满足新形式的要求(如轻量级的,灵活的,或可伸缩的组件),但也对新的处理方法,如直接印刷至关重要。这些功能和传统的半导体加工工艺相比,允许短期的,定制的电子系统的制造,明显降低进入壁垒。受益于这一令人兴奋的技术,基于软材料的可靠,标准和易制造的部件被大量需求。此外,这一过程用于制造设备的更详细步骤,及其对薄膜材料的结构和器件性能的影响的理解是促进这一新兴产业的发展,进一步扩大其范围的一个必要前提。

  • 聚合物

高新技术的应用和日常生活中,聚合物都是无处不在的;几乎所有工业部门,包括能源,交通,航空航天,电子,生物技术,制药,包装,和水的管理,利用高分子材料制造关键部件或加工步骤。所有这些行业和其他行业都会从先进的功能高分子材料的设计,预测和发展中受益。在聚合物行业目前是以石油衍生的聚烯烃为主,在原则上,新的聚合物分子可以制造成具有复杂的结构和多种功能,达到甚至超过生物系统中遇到的聚合物。对发现的膨胀参数空间,新材料的发展必须依赖一个建立在基于MGI战略模型的预测上,有针对性的合成,和快速的3D随时间变化的数据的分析和解释。

9 MIG主要应用机构


  • 国防部

  • 能源部

  • 美国国家航空和航天局

  • 国家标准技术研究所

  • 美国国立卫生研究院

  • 美国国家科学基金会

  • 美国地质调查局、内政部


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