解决中国制造“卡脖子”难题，揭秘中国材料基因工程

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不久前，中国工程院国际工程科技战略高端论坛暨第三届材料基因工程高层论坛顺利举行。论坛旨在进一步促进材料基因工程基础理论、前沿技术和关键装备的发展和应用，加强国际交流，加速我国新材料的研发和应用。

近几年来，新材料的“孕育”正在我国加速前进。据悉，我国目前已形成了全球门类最全、品种与产量规模第一的材料产业体系，材料产业产值约占我国GDP的23%，2018年新材料产值3.9万亿元。但是，目前我国在先进高端材料研发和生产方面差距甚大，关键高端材料远未实现自主供给。

于是，中国提出运用材料基因工程的方法来创新研制新材料，成为科技创新的重点和热点之一。

“大国重器”的“脊梁”

中国材料基因工程是什么？

它堪称“大国重器”的“脊梁”。

自古至今，材料一直是物质进步的基石。以人类社会发展而言，我们跨步迈过了石器时代、青铜时代、铁器时代……

到了近代，世界发生了五次科学和技术革命：近代物理学的诞生，蒸汽机和机械革命，电气和运输革命，相对论和量子论革命，电子和信息革命……每次科技革命都带动了人类社会质的飞跃。

科学家猜测，不久的将来，第六次科技革命将闪亮登场。它将是一场新生物学和再生领域的革命。在这场科技革命中，材料科学将作为重要组成，扮演重要角色。

中国制造业穿越了发達国家几百年的工业化历程，创造了人类发展史上的奇迹。中国被公认为“世界第一制造业大国”、驱动全球工业增长的“重要引擎”。

但是，中国制造“卡脖子”难题仍然存在。科技部高新技术发展及产业化司副司长曹国英在论坛上强调：“国家针对信息显示、运载工具、能源动力、高档数控机床和机器人等几大领域的347种关键材料的调查分析发现，被国外禁运和实施出口管制的材料达到61种，依赖进口156种。”

这是个令人“触目惊心”的数字。

并且，在我国处于领先的一些行业和企业的材料器件应用情况，更加不得不令人重视。

“以高铁为例，轮、轴、轴承等走行部件90%依赖进口。”

“在5G技术方面，射频器件和数字电路新品等基础材料及关键器件依赖美、日等国。”

“我国集成电路制造业所需的八大类器材中，12英寸硅片、光刻胶、氟聚酰亚胺胶等近千种关键材料大量依赖进口，高端引线框架、接插件材料也依赖进口。”

在新材料领域，我国创新力不足，资源保护和利用能力不强，这将阻碍中国“制造强国”的发展进程。

如何解决这一难题？我国科学和技术专家联合想出了一个极具前瞻性的办法：实施“中国材料基因工程”。

这一工程将促成材料科技的革命性发展，有效解决新材料发展的瓶颈问题。

材料基因的丰富内涵

谈到“基因工程”，第一时间闪现在我们脑海里的是气势恢宏的“人类基因组计划”。它于1990年启动，美、英、法、德、日和我国等科学家共同参与，预算达数十亿美元。科学家们要搞清楚的是，人体内的约2.5万个基因密码。这一计划通过测定组成人类染色体中30亿个碱基对组成的核苷酸序列，绘制出人类基因组图谱，辨识基因及其序列，最终达到破译人类遗传信息的目的。

那么，材料领域的“基因计划”又涵盖了哪些内容呢？

首先，我们要弄懂一个基本名词：材料的“基因”。

虽然各国众说纷纭，但科学家们的观点有共同之处，即材料基因指的是材料的原子、分子、功能团等，组成了该材料的基本单元。不同材料基本单元并非唯一，可以是自然存在的原子、分子、电子、离子、单一相等物质粒子，也可以是上述物质组合而成的团簇、单元或组合。

这些基本单元的排列顺序及缺陷结构，决定了该材料的性质和功能。它们被延伸到制造业工艺中，又生成了各异的加工工艺。

仿如探测“宏大”的宝藏，一旦搞懂了每一种材料的“基因”，我们就可以探索出各种材料体系的成分、组织、工艺、性能的关联关系，而这些，就构成了材料设计的基础。

材料基因工程是近年来国际材料领域兴起的颠覆性前沿技术，它的基本理念是融合材料高通量计算、高通量实验和材料大数据技术，通过协同创新，加速新材料的设计和研发。

基于新材料研发的战略意义，美国、欧盟相继启动了“材料基因组计划”，以满足新兴制造业对高性能新材料的需求。

以美国“材料基因组计划”为例，它的首要目标是促进材料行业全体参与者，包括政府部门、工业部门、专业社团以及学术界的大力合作。材料基因组的基础结构包括计算工具、实验工具、数字化数据以及协作网络。该计划希望通过材料数据的私密性和公开性的协调统一，扩大实验仪器、模拟计算工具、材料基础数据的可获取性，把发现、开发、生产和应用先进材料的速度提高一倍，从而保持美国的全球竞争力。

比较有趣的一点是，材料基因工程是一种设计预测型材料研发模式。即有机构先提出需求，创新机构根据这些需求，从庞大的材料数据库中，做各种性能计算、筛选和设计，制造出最贴近“买家”需求的“宝贝”。

用“行话”来说，就是做大量的交叉融合的高通量模拟计算、高通量实验和材料大数据挖掘技术，使科学家们更快速地发掘出特定材料体系的成分、组织、工艺、性能间的关联规律，使得新材料研发效率更高、成本更低。

传统的材料研发方法是，科学家们把自己“关”在实验室里，运用他们强大的大脑（材料理论和知识储备），对每种材料逐个“试错”，做材料配比、表征测验，最终找到满足需求的材料。用这种方法，新材料从研发到应用，需要至少20年时间。

材料基因工程出现后，把传统的材料“研发—产品”过程做了个大翻转，从需求倒推符合结构功能的材料。这一做法使得新材料研发和应用的周期缩短到5-10年。

换句话说，利用材料基因工程的平台和先进技术，几年内就可能取得新材料成果。

五大创新平台作支撑

截至目前，中国材料基因工程通过突破高通量计算方法、高通量实验方法、材料大数据等关键技术，建成了中国材料基因工程创新平台，希望达到新材料研发周期缩短一半研发成本降低一半的目的。

中国工程院院士干勇介绍，我国已启动的五大科技平台中，处于首位的就是材料基因组的研发平台。

目前，我国“3+1”综合性国家科学中心创新体系已在布局，在北京怀柔的材料基因组平台，正力争在新型高温超导体和金属氢的发展、非常规超导机理、量子计算物理机制、新型量子材料的复杂相变、物性的超快调控和晶格振动实时成像等重大科學问题取得新的突破，并在清洁能源、特种功能、高温合金和高强轻质复合材料等关键新材料技术上取得突破。

2017年5月31日，北京市怀柔科学城五个交叉研究平台项目已全部开工建设。其中，材料基因组研究平台项目是怀柔科学城配套跨学科交叉研究平台中重大科研项目之一，将建成我国首个、世界上规模最大、手段最齐全的材料基因组研究平台，并将以我国先进量子材料为突破口，迅速直接产出原创性的基础研究成果。

除此之外，在上海，超强超短激光实验装置，暗物质与中微子、实验室天体物理、拓扑超导量子计算三大实验平台正式开建。在深圳，已经初步建成“云脑”“靶场”“云网”三大科学装置。在合肥，同步辐射光源、稳态强磁场等大学技装置正为新材料的研发发挥越来越重要的作用。此外，以云南稀贵金属材料基因组为代表的各种材料基础平台陆续立项。一些专业软件公司基于材料基因组技术，开始为行业提供大数据、技术计算、人工智能协同创新服务。

目前来看，我国新材料研发体系正在形成，涵盖从基础工程到场景应用，初步形成了完整的生态链。

谢建新认为，“目前我国材料基因工程领域的研究存在较大的优势。国家的快速响应、地方政府和社会的积极参与、材料科技界的高度重视、大学相关人才培养的跟进，使我国在该领域的研究拥有一定的基础，而且有国家重点专项牵引，从关键技术研发、平台建设、典型材料研发示范等各个方面全面布局推进，初步成效显著。”

但与此同时，“未来几年是我国制造业转型升级和高质量发展的关键时期，制造强国建设为新材料产业提供了广阔的市场空间，也对新材料研发速度、研发成本、质量、性能等提出了更高的要求。”工业和信息化部原材料司副司长常国武建议，“我国发展材料基因工程，还需要进一步加速新材料研发产业化和应用的衔接，充分利用国家新材料测试评价平台、新材料生产应用示范平台和新材料资源共享平台，促进数据信息设施共用共享，同时进一步营造良好的人才成长环境，加快培养一批国际化复合型人才。”

有专家表示，未来的社会是数字社会，数字社会的材料一定要数字化，从某种意义上而言，材料数字化意味着必须建立数据接口，才能实现真正的“万物互联”。而材料基因工程，通过大数据、人工智能方法的应用，将从材料层面促成“万物互联”社会的来临。更具战略性意义的一点是，它将从基础层面来解决中国制造“卡脖子”难题，从而有力地推动中国“制造强国”的可持续发展进程。