悄然启动的“材料基因组”计划

来源：中国化工信息网
在美国2012年财政预算中，新增了1亿美元用以支持一项名为“材料基因组”的创新计划。这个试图揭示物质构成、不同元素排列与材料功能之间关系，进而实现有目的设计新材料的科学工程，有着更强烈的实用和需求背景，也是美国为保持其在先进材料及高端制造业领域领先地位的一大举措。本报记者专访我国材料研究专家、中科院上海硅酸盐所江东亮院士，请他介绍这项继人类基因组计划之后，又一重大的科学工程项目。
　　问：什么是材料基因组？材料基因组计划和人类基因组计划有相似之处吗？
　　答：“材料基因组”一词，应该是受了“人类基因组计划”极大的影响。这两个计划虽然针对的对象完全不同，但是其最大的相似点是两者都是从对研究对象最基本组份（一为核苷酸-基因-细胞，一为原子-分子-化合物）的了解出发，来试图更多地了解“人”和“材料”，或者可以说，材料基因组和人类基因组这两大科学计划存在内在逻辑上的关联。从材料来讲，只有知道元素不同的排列组合以及它的性能，才能发展出的新的材料。原子分子不同的排列组合必然导致功能上的巨大差异。如同人类基因序列上的不同排列会导致各种疾病，材料元素组合上的缺陷，也必然会对最终形成的材料本身的功能带来巨大的差异。材料学家希望尽可能做到材料缺陷最少，但也可能因为一些意想不到的排列产生“突变”，形成一种新的材料。
　　例如能把硬度和韧性好的两种材料的优点结合起来，就能形成一种新的更好的复合型材料。火箭和导弹的头部所用的基本都是复合材料，导弹钻入大气层时因为速度太快，表面摩擦可产生约3000℃的高温，一般材料很难耐受如此高温，所以必须创造一种新的材料。最早的办法是让这种材料“出汗”，一出汗让材料冷却下来，所以叫“发汗材料”，但是发汗材料因过重而不合适，后来发展到碳纤维复合材料，既耐高温，又有强度，表面涂层又能抗氧化，即使烧掉，结构还在。
　　另外，材料基因组还要结合已知的、可靠的实验数据，用理论和计算模拟去尝试发现新的未知材料，并建立其化学组分、晶体结构和各种物性的数据库，利用信息学、统计学方法，通过数据挖掘探寻材料结构和性能之间的关系模式，为材料设计师提供更多的信息。简言之，我的理解，实施材料基因组计划是希望从根本上加深对物质构成的认识。
　　问：与传统的新材料研制相比，材料基因组会带来哪些变化？
　　答：现阶段材料研发大致是从实验室研发到产品这样一种直线型的模式，周期很长。据统计现在一种材料从研究开发到形成商用产品，平均周期是18年，通常一种新药的整个开发周期是10年，新材料的研制周期显然要长得多。
　　而材料基因组的做法是把传统的研发到产品这样一种过程整个翻转过来，即从应用需求出发，反求倒推到符合相应结构功能的材料。这样一种颠覆性的改变意味着需要对各种材料有足够多的认识和积累，包括结构组成、性能、工艺优化等。我们现在可以用计算机模拟温度、湿度、气氛、应力、强度等参数的变化，来获得优化工艺和性能，这样就大大加快了研发进度，通过计算机模拟工艺进程，改变某些参数，就能得到相应的结果，这样可以少走弯路。因为试验阶段是最花时间和精力的，耗费也最大。
　　这些手段和条件方面的进步使得新材料的产出周期缩短成为可能。所以“材料基因组计划”很重要的目标之一就是要把新材料的产出速度至少翻一番，即从18年左右的周期缩短为9~10年。
　　问：您刚才提到，材料基因组中很重要的一点是利用已知元素的特性来有目的地改变材料性能，材料学家是怎样做到这一点的？
　　答：举个晶体的例子。一般晶体（即人们俗称的宝石）都是天然的，现在人工可以合成和天然晶体相仿的宝石，即所谓的人工晶体。比如人们已知钻石是碳的立方晶型的结构，那么在人为制造的几千个大气压和2000℃的环境温度下，就能把像石墨一样黑黑的碳元素重新组合成晶莹剔透的金刚石。人工制造晶体需要对天然晶体的结构研究得非常清楚，因为不同的结构、元素有不同的性质，有意识地改变这些特性，就能发明一种新晶体，或者发现晶体的某种新功能。比如硅酸盐所的拳头产品BGO（B=铋G=锗，锗酸铋），就是一种应用在医疗仪器CT里面的人工闪烁晶体。这种晶体能够接受和感知射线的强弱，如射线照过身体，身体某部位有什么问题，吸收程度不一样，就会在接受版上显示影像，医生根据影像强弱和形状就能得知被检者的身体状况。如果把铋换成其他物质，这种人工晶体的功能就不一样了。
　　同样，搞清楚铋、锗这些元素在晶胞里的位置也很重要，有时候量和位置不同，性能也就大相径庭。材料学家通常用晶胞位置，晶格间、晶胞间的空隙大小来定位元素在晶体中的位置，譬如，许多激光晶体就是用YAG（钇铝石榴之石）掺稀土钕（Nd）而成。钕是稀土中重要的一种，材料学家需要知道每种元素变成离子状态的尺寸大小，才能将元素钕离子掺进YAG这种化合物中去。如果想要换一种性能，也许只要改变不同掺杂的元素就可以，这就是根据应用需求来带动材料的研发。而材料基因组计划的实施无疑将加快优化工艺的速度、促进优化后新材料的共享。