美国材料基因组计划（2014.12最新,全文很长)

来源：新材料在线

     材料非常重要。高温涡轮发动机的效率、置换关节和植入体的生物相容性、先进电池的使用寿命以及开启了电子世界的复杂的电子元器件，都由材料的选定和优化所决定。这些创新和其他各种因素形成了我们所认知的世界，并使未来有无限遐想。然而，一种新型材料从最初发现到实际应用需要20年或更长时间。

国家的经济竞争力和在未来几十年的繁荣将非常依赖于美国创新的步伐。为了认识先进材料在支持驱动美国制造业部门的重要性，在2011年6月，美国总统奥巴马推出了材料基因组计划（MGI），其目标是：与原料相比，以快两倍的速度和一小部分的成本，探索、开发、制造和部署先进材料。

这一雄心勃勃的目标是可以实现的。在21世纪初进行的研究表明，一个系统化的材料设计、优化和实施方法能显著缩短设计时间和成本，同时提高质量。其中一些成就被记入2008年全国研究委员会的集成计算材料工程（ICME）：提高竞争力和国家安全的一个转型原则。一个早期的例子是在美国国防部高级研究计划局（DARPA）下的两个航空发动机设计公司合作加速材料项目的植入。同时优化设计和制造过程的新原则促成了新的转盘设计，它减重了21％，但爆破强度提高了19％，全部实现仅是常规开发周期一半的时间。

2007年早期的另一个成功故事是新的柴油发动机，它通过使用建模和分析工具被迅速推向市场。这种模拟驱动的方法缩短了开发时间和成本，它通过减少对昂贵和耗时的硬件测试的依赖、并减少昂贵的重新设计而实现；它允许工程师计算性地考虑广泛的设计可选方案不需投资硬件而改善发动机的性能。该工作利用了来自能源燃烧研究设施部的基础燃烧建模和激光诊断，这种强大的计算和先进的表征工具相结合反映了MGI愿景的一个早期例子。

创新性的实验工具在加速材料开发和部署方面也起了关键作用。高通量的实验技术已经在医药研究领域成功部署，并缩短新的药物疗法的上市时间。相比而言，组合方法可以生产比传统方法多1000倍以上的具有潜在医药价值的化合物，而单位成本却少了600倍以上。随着时间的推移，组合技术已经扩展到其他领域（如催化、热电材料和合金设计），并包括组合合成和表征，从而实现快速评估和分析。

图1 新材料研发周期示意图

这些早期工作的成功和经验证明了不同方法的功能，以及给材料连续开发所有阶段带来工作流程巨大改变的潜力（见图1），以加速材料推向市场，并有助于MGI的设计和目标。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（见图2），连同材料科学与工程的协作、集成研究范式。“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。

虽然MGI本身是一个大胆的举措，它本身还与其他政府优先事项和联邦活动相结合以侧重于解决一些国家最迫切需求的领域，如清洁能源、国家安全以及人类健康和福利方面，这些领域都有都需要先进材料解决方案的潜在挑战。总统展示了MGI和其他主要联邦机构工作的关联，旨在通过推出MGI以及先进制造伙伴（AMP）恢复和重振美国制造业，在政府、产业和学术界的合作以找出最紧迫的挑战和变革的机会，从而改善技术、工艺和多个制造业的产品。此外，MGI有清晰的指令，为数据共享和访问提供基础设施，这项任务直接支持联邦资助科学研究的开放数据访问的《2013年科学与技术政策办公室》备忘录。此外，MGI紧密结合了国家纳米技术计划（NNI），因为材料科学家和工程师利用了NNI过去十年在纳米级别对材料的理解和控制的进步。当与这些其他倡议和优先事项相结合时，MGI必须潜在的支持下一波的美国制造业，培养多种跨部门和跨学科的合作，这将为有效地解决国家面临的各种挑战开创全新的途径。

图2.美国《材料基因组计划》的整个目标和具体内容

MGI向整个材料界发出一个独特的挑战：在半年时间内以最小成本把下一代材料转换为产品。这种做法可能会加速发现目前无法使用常规工具实现的新材料，更快的把已知材料应用到新产品中，发展目前仅存在于想象中新技术（如可用在军用车辆、头盔和士兵装备的抗冲击减震材料；可以轻松承受高冲击碰撞的超轻质汽车材料；或可以使手机保持充电数的薄膜电池材料）。本文档描述的策略（由联邦机构与来自学术界、国家和联邦实验室以及业界的关键利益相关者的输入）的目的是指导和协调联邦的活动，并为贯彻总统的愿景提供清晰的技术路线。

接下来的两章概括了实现MGI愿景的四大战略挑战，随后是一系列成功应对这些挑战的目的和目标。随后的章节是关于实现国家目标，且讨论了MGI如何确保国家需求满足安全、人类健康和福利、清洁能源、基础设施和消费品的杠杆平衡。最后，讨论了一系列来自整个材料类和应用范围的科学和技术挑战。工具和科学文化的演进，也将发展成为MGI的一部分，这可直接用于克服这些挑战和其他尚未确定的因素，以此来执行总统加速发现和发展新材料的指令。

资料来源于白宫官网，新材料在线编译！

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。

总结如下，这些挑战是：

(1)在材料研究，开发和部署中的文化转变；

(2)实验、计算和理论的整合；

(3)数据的访问获取；

(4)装备精良的工作人员。

在下一章中概述的目的和目标是为了通过公众和MGI相关部门的共同努力解决这些挑战。

材料研究、开发和部署中的文化转变

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。

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。

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。这一挑战将通过对有志于从事工业、国家和联邦实验室和学术界的本科生和研究生施行正规教育来达到部分实现。对于已工作的专业人士，额外的培训可能促进广泛使用的新工具和研究方法。此外，在新一代劳动力可以使用材料创新基础设施之前，教师们必须首先提供熟知这些新的工具、研究方法以及它们的价值。

brantbai 发表于 2014-12-24 22:29
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。 总结如下，这 ...

材料基因组计划（MGI）的成功将通过满足以下四个目标来实现：

1. 在文化上启用范式转变

2. 集成实验、计算和理论

3. 材料数据的方便获取

4. 装备下一代材料劳动力

本章扩展了这些目标的内涵、具体目标的细节和阶段性目标，它们将使MGI移向它的目标-加快开发新材料以满足国家的需求。在本节中，每个里程碑将包括在执行任务中发挥主导作用的代理或跨部门小组的列表。

在发展和执行这里所描述的MGI活动中，评估技术和方法也将问世，它让这两个项目的有效性和影响得到评估。到目前为止，MGI评价要素的细节仍然不确定，但应包括收集足够的项目数据以记录什么行之有效、科学产出，并测量由于MGI而增加的材料创新商业化的速度。

目标1：在文化上启用范式转变

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。从根本上说，这种模式的转变需要团队协作方式的变化。当今的合作是广泛和富有成效的，但往往狭隘地局限于科学家或类似专业团队的理论、实验或模拟。合作可以通过理论的无缝集成；材料的表征、合成和加工；和计算模型而变得更富有成效。此外，基础科学知识和工具的发展，必须转变并集成到工程实践和应用中。这种多学科的方法将因其他各个方面的信息而加快进度、加强跨学科的沟通、避免拖延和失误，并实现优化。

这种变化需要整个材料界的参与，从发现到调度，横跨许多工程和科学学科、学术部门和参与相关材料活动的产业。此外，这样的模式转变包括开发新的合作模式集成理论、建模和通过整个研发连续性的实验，从基层研究到设计、优化和制造阶段。因此，工业在形成和采用这种新的模式的战略方面发挥特别重要的作用。

目标1.1：鼓励和促进集成的研发

跨越许多领域的整合是MGI开发文化和技术的基石。理论、计算和实验之间的连接；学术界、国家和联邦实验室和工业；科学与工程学科；甚至联邦机构对实现愿景和展示MGI方法的价值都是至关重要的。成功地集成研究项目需要强大的跨越材料活动的多学科团队。团队内部和团队之间、跨越材料和应用领域的沟通是一个关键组成部分。

试图证明这种新合作的价值，迭代结构已经开始。例如，美国国家科学基金会的MGI项目，设计材料以革新和设计未来材料（DMREF），强调整合计算与实验的迭代方式，并在这一合作研究机制的基础上，鼓励方案评估。这一计划和正在进行的其他联邦机构的类似努力已经产生了小的，但日益增长的正在使用迭代的、合作的MGI范例人群在自己的研究团队，并与扩展的研究伙伴的迭代，协同MGI范式的研究人员。联邦政府支持进一步向研究文化的过渡，这包括跨学科的集成以及学术和行业研发社区之间的跨越，通过强调对这种工作的目标靶向和把MGI元素带入现有的适当的材料科学和工程研发项目。在2014年NSF为NSF、能源部（DOE）和美国国防部（DOD）支持的MGI奖的现有科学家增加了1/3的DMREF获奖者收入；每年有更多的科学家积极参与MGI相关的项目，并继续加大这一人数，这将促进MGI设想的协作、整合的工作作风更广泛的开发和应用。

里程碑1.1.1：通过两年的时间，累计增加50％的参加MGI相关项目的研究人员。[美国国防部（DOD）、能源部（DOE）和国家科学基金会（NSF）]

里程碑1.1.2：定期举行、多部门主要研究者会议以建立一个更强大的MGI社区。包括这些会议的行业代表。 [美国国防部、能源部和国家科学基金会]

联邦政府可以通过支持增加社区之间互动的活动，进一步强调学术界、国家和联邦实验室和行业间的整合。例子包括围绕各地的基础工程问题（FEPs）建立新的合作伙伴机会，其中集成的、跨学科的团队采用计算和实验技术以达到工程材料或部件的特定性能目标。最初在2008年全国研究委员会上建议，FEPs在研究优先次序和演示综合的计算和实验技术的能量时起了作用。学术研究和产业间的伙伴关系是理解迫切需要的计算和实验工具、引入和渗透这些工具、并培训和教育下一代劳动力使用该工具的关键。

里程碑1.1.3：通过两年的时间，联邦政府支持多个FEP项目。 [国防部和能源部]

复合材料的空军研究实验室基础性工程问题

充分实现先进聚合物基复合材料（PMCs）在航天系统的潜力因缺乏集成仿真工具而受限，该工具能捕捉足够的细节以充分代表在系统设计中这些高性能材料的复杂性。具体地，涉及联系具有机械性能的PMC过程的化学能力，特别是高温PMCs的负荷响应和损伤演化，阻碍了其应用程序。目前的设计过程通常依赖于反复的分析和测试，以逐步建立复合性能的可信度。这个过程导致了复杂结构的过于保守或不足的元件设计，并需要更多的时间和更高的测试成本。

空军研究实验室的材料和制造局领导通用电气、洛克希德•马丁公司、欧特克、融合材料、顿研究院大学和密歇根大学之间的合作，以开发用于不同空间和时间域的PMCs复杂性模型的集成材料工程计算工具。这款新作集成了高温PMCs的高保真处理和力学模拟工具到复合材料设计、资质和认证流程。所得工具可以用于设计原型部件，如机身翼盒和发动机旁通管来证明降低成本、时间和使用PMC材料的风险。此外，减少了设计的保守性并加速了向下一代材料的过渡，这将使新型飞机的性能提升和显著节省燃料。

图片由美国空军研究实验室提供

凭借广泛的联邦机构参与MGI，将有更多的跨部门的合作机会，以利用特定机构的专业技术优势。例如，在2013年能源效率和可再生能源（EERE）的能源部办公室颁发的第一个资助EERE和国家标准与技术研究院（NIST）之间的开创性合作伙伴关系。根据这项计划，NIST将帮助储存材料数据，并使得从由能源部-EERE项目资助的研究轻量化汽车材料的模型库。这种伙伴关系可以模拟推广到其他机构，可以通过NIST开发的最佳实践和数据管理应用到更广泛的MGI社区。

里程碑1.1.4：通过两年的时间，确定为三个新的MGI相关的跨机构赠款或协调项目的机会。 [美国国防部、能源部和NIST]

目标1.2：促进通过MGI的方法

仅仅通过联邦投资支持更高层面的合作将不足以实现MGI方法的利益；长期的成功将需要为学术界、国家和联邦实验室和业界的材料科学和工程更广泛的使用MGI方法建设一些能力和新的制度激励。最终，各个工业部门已经看到采用这种模式合作的价值。有针对性的推广专业协会、行业协会和材料行业的领导者可以帮助在社会各界建立熟悉、激发讨论。材料基因组计划（SMGI）的国家科学技术委员会的小组委员会将继续担任代理召集来帮助促进与产业的互动和MGI愿景的结晶。

整合新工具到不断发展的行业和制造业领域将是长期MGI成功的关键。建立MGI的基础和基本的基础设施构建模块占这一战略计划的多数，但SMGI承认今后的工作和领导要求建立更深层次的整合以及与行业的联系。此类活动可能包括进一步的开发公私合作伙伴关系以满足先进制造业的需求以及随着时间进入市场的限制，如新材料、设备和系统商业化的资质和认证。

此外，为了促进跨学术界、国家和联邦实验室、产业的交流与方便使用MGI方法、它适用于工业、联邦政府和私营部门，他们为所有材料科学和工程相关学科的学生寻求支持企业培训和行业经验的机会。这种类型的教育项目至少提供两个好处：积极进取的劳动力有亲身实践课堂上学习的适用于MGI技术的机会，而这些学生的研究领域出现的尖端工具带来的专业知识可以向业界进行非正式技术转让。

里程碑1.2.1：与材料科学与工程大学项目、专业协会和行业工作以定义场地，在该场地促进学术界和工业界的研究人员，包括学生、MGI-相关项目之间的相互作用、过渡和融合。 [材料基因组计划（SMGI）小组委员会]

此外，联邦政府已证明在最近几年成功运用激励奖金和挑战以刺激良好定义的研发挑战的兴趣；私营部门和联邦政府都通过其发出的激励奖金或挑战获得有效的机制，以解决被指定的技术挑战，并培育新的合作。

里程碑1.2.2：通过两年的时间，推出聚集于展示利用MGI技术的激励奖来快速提供新材料。 [美国能源部、国家航空和航天局（NASA）和NIST]

目标1.3：与国际社会接触

加快发现在美国和其科学、技术和创新方面的国际合作伙伴的经济利益的先进材料系统和部署的步伐。许多国家已经确定先进材料为工业领导和创新的驱动；在这些问题上的更紧密合作将提供互惠互利、刺激经济、为创新技术带来新的机遇。虽然联邦机构单独寻求国际合作以促进他们的任务目标，SMGI也已采取措施开展与国际材料科学与工程社区的活动。通过国务院和由科学和技术政策办公室（OSTP）领导的部长级会议，存在无数的讨论主题的机会，如在特定工业部门关键需求的材料数据和识别的相互兼容数据的获取和共享政策。归根结底，这些讨论将帮助我们和合作伙伴的研究团体更好地针对这个过程中的瓶颈资源和确定减少产品上市时间的具体机会。

里程碑1.3.1：继续寻求与国际伙伴合作的机会，参加讨论材料科学研发的国际论坛，并建立现有国际伙伴关系的优势。[SMGI]

目标2：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。应用实例包括使用集成的工具集以找出关键材料的替代品，然后把这些新材料转到生产流水线。最终地，基本的、经过验证的理解的无缝集成可掺入用于材料的发现、产品和制造的设计、部件的寿命预测和通知维护协议的仿真建模工具。

后面的目标已确定迄今为止的这种整合过程的组成部分。相关但不明确的公开数据访问和与大型数据库相关的问题，总结在目标3。

目标2.1：创建MGI资源网络

许多支持MGI的初始联邦活动已经投资于越来越多的研究人员，他们致力于开发材料创新基础设施。把这些研究者相互连接，以及连接更广泛的材料社区，从发现和设计到现有能力阵列的加工，是开发下一个全国性网络材料科学和工程研发资源的关键任务。

研究人员需要获得材料合成和表征的实验能力，无论是验证计算模型或经验实验的预测能力。高科技实验性功能在全国范围有效，这些资源的信息将成为研究人员运用MGI方法的一个有用工具。此外，MGI相关人员也需要访问在多个平台和用户群的实验验证的和广泛的功能的建模和软件工具。这些工具应包括实际应用中的处理长度和时间尺度，即设备的大小和寿命预计，同时仍保留材料行为和物理性质确定的短期长度和时间寿命的科学知识。根本上，以科学为主导，并充分表征与应用为中心编码相集成的计算模型，该编码用于集成设计、验证、性能预测和维持，以及其他用途。通过编码和软件开发者增强社区网络沟通和分享共同支持工具将加快这些工具的广泛用户的可用性。这一目标的一个关键方面是建立与正在进行的材料研究团体的信息资源，这些团体致力于开发实验和计算工具的开发。

里程碑2.1.1：与跨越整个材料开发连续性的材料社区一起工作以建立信息清单，包括联系信息或网站链接，为合成与标准的公开可用的代码、软件和实验能力，作为社区的资源。 [SMGI]

因为，社区与社区开发的模式和软件明显不同，运用它们时富有成效的，MGI需要建立一种方法以转换研究级别的代码到强大的和足够用户友好的软件，以满足学术界、国家和联邦实验室、工业环境的用户群体需求。此外，应制定培育长远发展、维护代码和软件包装的的方法；包括计算机科学、信息技术和材料科学的跨学科研究项目是正在探索的一种方法。私营部门也追求自身相关的软件开发，提供了生产公共-私营伙伴关系的另一种机会。私营部门的参与也包括促进联邦政府资助的研究成果的发现和探索支持商业软件的新的商业机会。

通过网络活动，研究人员可以培养最好的和行之有效的方法的发展和理解，以成功开发所需要的软件。材料专用网络可以识别互操作性标准、定义必要文件、并确定跨多个应用的通用软件模块的优先序。

里程碑2.1.2：建立专注于开发结构材料的预测软件的网络。文档课程所学和最佳实践用于开发其他材料和应用领域的其他网络。[美国国防部，能源部，NIST和NSF]

NanoHUB作为MGI网络软件的模型

软件工具和相关的教育资源的开发和分布是材料创新基础设施的重要组成部分。材料基因组项目可以效仿的一个成功的方法是nanoHUB.org，由美国国家科学基金会在普渡大学开发的网络计算在线纳米技术模拟社区。NanoHUB通过云科学计算和教育资源授权全球的社区，为世界各地活跃社区的257000名用户提供3300个研讨会、教程和教材库。NanoHUB在研究的影响表现在超过1030次科学文献的引用和超过6000个二次引用。此外，nanoHUB通过在云中的充分互动环节使得超过270个不断变化的模拟和建模工具皆可访问并使用。约12500名用户每年运行超过43万的模拟实验而不需安装任何软件，只需使用Web浏览器。此外到目前为止，nanoHUB模拟被用于超过180个机构，在正规课堂的培训已达到了19000名学生。下面的图像描绘了2013年2月25万用户参与nanoHUB，红点表示教育材料的用户；黄点表示模拟用户。

图片由普渡大学提供

目标2.2：准确、可靠模拟的创建

MGI的成功需要为材料研究和工程社区扩大目前的可用的理论、建模和仿真工具。整个联邦政府的活动将解决具体材料的预测设计、开发充分表征预测整个研发连续性能力的强大计算工具的目标，包括发现和处理步骤，把这些工具提供给更广泛的社区。这些计算工具的开发也依赖于计算资源的广泛可用性；联邦政府在发展和提供给研究界有着悠久的传统，高性能计算设施，MGI将能够利用这些资源的实质优势。

新的计算方法在软件中的实施必须针对已知的解决方案和开发实验与验证输出的一致性方面进行验证。正如接下来的目标，专业的实验工具往往在验证数据时是必需的。此外，这些先进计算工具集成到实验设计将推动从材料的发现到测试和集成组件更快、更可靠的实验结果。

模拟的具体技术壁垒也阻碍了材料领域的重大进步。例如，材料科学与工程界早已认识到多尺度理论和建模的挑战。由于材料的性能受所有长度尺度-从原子到宏观-的动力学影响，有效的材料设计需要建模、许多长度尺寸模型得到的信息的集成。同样重要的是需要定量表征和建模材料的演变以捕捉相关工业应用目标的时间表现象。MGI执导的努力可以解决这些特殊的技术需求；需要社区输入以定义主要的理论、建模和所有材料类型仿真的主要科学的和技术的挑战。

里程碑2.2.1：召开跨越所有技术准备工作水平的材料社区工作，以确定理论、模型和针对不同材料类别和相关交叉方法和算法仿真重大的科学和工程方面的挑战。每年举办的研讨会和发表的相关报告演变聚焦于不同的材料类型。预计前四年要解决的主题包括结构材料、磁性材料、储能材料和电子材料。[SMGI]

材料项目

先进材料将定义下一代的清洁、安全和经济的能源储存和分配技术，建模的第一性原理为加快新型化学品的发现提供了强有力的工具。虽然这些技术具有广阔的应用，在美国麻省理工学院（MIT）和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的研究人员正在利用这些理论上合理的计算，以迅速确定能源储存材料的关键属性，因为对这些化学物质知之甚少。

当为储能设计新的化合物，预测材料的晶体结构是至关重要的。通常情况下，这项工作纯粹视为计算能量最小化的问题，一个充满巨大困难的战略。尚未对大量可用于晶体结构的采矿工具的实验数据的使用，使得更有效地以数学的方式“学习”规则的性质，这是一种快速驱动计算走向新化合物最有可能的晶体结构的过程。这些信息对材料设计和优化是非常宝贵的，因为它允许连接这些晶体结构的组成变化。这种方法的一个成功例子是，麻省理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室的团队已经确定了数百种新的氧化化合物，其中一些可作为锂（Li）电池的电极材料。

实验间的相互作用对理解材料如何将发挥作用是特别重要的。例如，最近引人入胜的Li10GeP2S12（LGPS）的发现，它是一种具有极高的锂传导能力的新型固态电解质，使得研究人员声称LGPS超过5伏（V）范围是稳定的。利用现已通过材料项目（www.materialsproject.org）得到的大量计算相稳定性的数据，这些权利要求可以迅速地通过计算进行比较。结果表明，当锂传导率可由计算得到证实，第一原则相图清楚地预测了不超过三伏电化学的电压窗。更重要的是，这些计算允许探测组合物中小的变化，这会增加或减小离子电导率。这些预测已由实验证实，证明快速评估实验和最有潜力的目标优化方向的新思路的计算的能力。

brantbai 发表于 2014-12-24 22:34
材料基因组计划（MGI）的成功将通过满足以下四个目标来实现： 1. 在文化上启用范式转变 2. 集成实验、 ...

目标2.3：提高实验工具-从材料发现到部署

材料在结构上通常是分层的，从原子到宏观尺度。这种层次结构为实验和仿真带来了严峻的挑战。测量结构、化学和性质变化的工具已加速了对材料的理解，这些材料在X射线和中子设施以及电子、离子和激光光谱的实验室中被发现。对于许多材料合成和制造同样重要的工具是在原子级别提供有效的组成和结构控制并具有监视处理的广泛诊断能力。即便如此，这些工具“最好的”通常被限制为特定的材料系统或少量的材料（例如，薄膜和纳米颗粒）。许多最佳的表征技术仍然显著依靠于样品制备，而样品制备是非常耗时且可能会修改或破坏最令人感兴趣的相关性质的结构。因此，为了产生实验数据，并从理论、建模和仿真验证预测，不断的提高实验工具是必需的。

提高实验能力显示早期承诺的例子是高通量实验，一次运作许多测试的平行实验，通常使用自动化和小型样品的方法。另外，高通量应用的快速增长，其中大量材料的组合合成方法快速合成不同分子或元素组成的阵列，具有识别未开发的材料合成和形成大量实验数据的方法。这些合成技术必须与具有相当组合表征能力的团体合作，可以迅速地测量阵列单个材料的相关性质，以最大化高通量实验方法的潜力，来创建和识别具有期望性质的新材料。

目前材料技术的复杂性对MGI带来更多的挑战。例如，在先进电子和光子中，感兴趣的材料是其他材料的界面或表面本身，最佳性能要求精确控制组成和掺杂。使材料具有结构控制水平将要求开发新的合成技术和工艺。来自国家研究委员会2009年的报告-晶体物质前沿：从发现到技术，指出国家需要加强制备结晶材料的能力，包括二维和薄膜晶体。

通过nSoft联盟进行软材料数据生成和交换

软材料具有无可比拟的性能，人们可以简单地通过改变软材料（如聚合物，蛋白质和胶体）的分子结构和加工参数得到非常之大的性能范围：从流动性到可以与钢铁媲美的强度。这些独特的材料往往被视为先进防弹衣，轻量化交通工具，可持续农业，先进能源储存和输送，以及下一代先进疗法等新兴社会需求的最佳解决方案。然而，分子结构，工艺参数，以及软质材料性能之间复杂的关系对材料的表征方法提出了更高要求，同时也对开发可预测性能的模型提出了挑战。

由于缺乏这种预测建模能力，许多研究者都被迫采取更为昂贵的或并不充分的解决方案以了解这些材料。中子，因其具有标识单个分子和相的强大能力，可在加工制备条件下以高精度来表征材料，从而为集成最先进的预测建模工具提供了一种获得关键物理参数的方法。该材料基因组计划创建了一个机会：利用来自实验和计算得出的数据来发展新一代的高性能，低密度，高性价比的材料。此外，还有一些好处是可能实现高浓度抗体制剂，剪切增稠液体防弹衣，以及净水膜的稳定性。nSoft在美国国家标准与技术研究院（NIST）中子研究中心经营了一套世界领先的中子测量工具。nSoft的成员是软质材料的领先制造商，横跨从石化到航空航天到生物制药等多个工业领域。除了提供所需的预测模型的关键数据，nSoft代表了股东的需求与数据传输以及识别制造业新趋势之间的实际联系。

由于材料基因计划（MGI）的目标是加速新材料到工业产品的发现、设计、发展及部署，对于材料的原位动态分析拓展实时方法是必要的。原位分析是指测量是在材料的制备加工和应用的真实环境下进行的。通过这种方法获得的数据在如下几个方面是必要的：对于验证理论与模型的准确性、在理论模型不全的情况下完成数据组、告知材料的性质是如何产生并随时间变化的。

里程碑2.3.1：召开一次多部门研讨会，评估可以在原位/操作条件下分析材料的性质，合成，加工的测试工具的目前状态和未来方向。[美国国防部，能源部，国家航空航天局，NIST和NSF]

材料基因组计划（MGI）方法有助于加速材料的开发和部署。通过集成计算、实验工具以更好地预测制造过程中的参数将如何影响最终材料和产品的性能，进而实现对产品性能的控制。这种方法允许成分设计和性能优化的共同开发。为达成MGI的目标，应将生产材料或是将材料制成产品所必要的材料的表征、性质和制造步骤作为整体考虑。对于结构材料，制造过程可能包括切削，成型，铸造，焊接和品质控制以确保材料最终能达到理想的性质。对于其他种类的材料，如催化剂，材料本身可能就是最终产品和主宰复杂合成、推动反应向得到特定性能材料的方向发展。在所有情况下，材料的开发和实施必须要负责任的考虑到材料的整个生命周期。人们需要减少对稀缺材料的使用，需要在发展初期评估那些可能有毒的材料，还需要对废弃材料进行回收或是无害化处理。

一旦材料被部署，预测它们的使用期性能是至关重要的。在材料基因组计划（MGI）下开发的为了预测理解材料使用期内的行为和不确定性的集成工具，也能让用户开发可维护性设计。此外，集成诊断系统允许对材料的进化（结构和化学变化）和性能进行实时监控。材料基因组计划（MGI）活动将包括发展计算和实验工具。这些工具帮助人们加深理解时间和环境因素对材料结构的演化的影响。

在制造过程中结合了在线质量评估软件的改进了的传感系统，以及可靠的无故障时间的预测 的发展将大大有益于许多应用领域。这些部署后的材料演变的挑战很少被纳入材料设计范例，因为描述这些过程的模型是不成熟，因而在设计中的用处不大。这样的深度理解能够加速材料测试，进一步降低了材料开发和产品设计，集成和认证等关键步骤的时间。

里程碑2.3.2：召开了一系列的多部门研讨会，以识别限制集成化应用的关键科学技术问题，协同MGI方法加速材料和产品先进制造业的发展。举办讲习班，在头四年专注于特定的材料类和应用，包括轻金属，催化剂，电池和能量存储，以及半导体和集成电路。[NIST，美国能源部，国防部和NSF]

了解材料发展连续过程中（从材料发现在市场应用）每一步所需的时间，是减少新材料进入市场总时间的关键。现有的证据大部分是道听途说的，需要研究跨多行业、材料类和应用的基准化当前状态来确保衡量和评估的成功。

里程碑2.3.3：启动基准的研究，以确定材料类或应用程序子集市场的当前时间。[NIST]

目标2.4：开发数据分析，以提高实验和计算数据的价值

在许多科学领域，包括计算和实验得来的大数据成为越来越大的挑战，它们往往伴随着现代化工具产生。在这个战略计划的下一个目标将讨论开发和维护所需数据库，以启用对数据评估的目标和里程碑。高品质实验和计算数据的可用性也为数据挖掘和分析，以扩大和加速发现新的材料和材料的新功能预测提供了一个机会。数据挖掘和分析将通过共同的材料数据和一致的元数据建立信息源来启动。此外，通过用建模和仿真工具来实时分析实验数据，指导正在进行的实验，可以快速得到一些实验结果。

里程碑2.4.1：召开路径调查研讨会的重点是对材料科学和工程新兴应用的数据分析计算工具状态。[NIST]

目标3：便于访问材料数据

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。如果使之可广泛获取，不同来源的材料数据都可存入数据库，用于确定数据的差距以及减少不必要的的研究工作。从广泛的可获取的材料数据中获益，数据共享文化必须伴随着现代材料数据基础设施建设，包括软件、硬件以及必要的数据标准，使材料科学与工程数据的发现、访问和使用成为可能。

受到一些不同社区独特的和异构的要求驱动，此数据基础设施应允许在线访问材料数据以快速和简便地提供信息。应该提供一套高度分布式存储数据库用于安置、搜索以及管理材料数据，这些数据是通过实验或计算产生。社区开发的标准应为数据的纳入和退出提供格式、元数据、数据类型、标准，同时也为数据互通性和无缝传送提供必要的协议。这些努力应包括采集数据，将这些方法纳入现有的流程，并开发和共享流程的方法。该策略需要一个结构化的方法，始于路径寻找尝试的调试，以确定所需要的结构、标准和政策，用于建设材料数据基础设施。更重要的是，许多需要的技术解决方案可以获得或正在开发；此处所定义的策略，是指充分利用这些数据的进步并专注于在材料研究方面应用它们。

目标3.1：为材料基础设施的实施确定最佳做法

MGI设想，材料基础设施结合软件、硬件以及社区范围内的标准，以便发现、获取和使用材料数据，这是材料创新基础设施的关键组成部分。材料数据的多样性和复杂性已经阻碍了材料数据基础设施所需要的，单一的，被广泛可接爱的结构、组织和具体细节。鉴于这些复杂性和努力的规模，关键目标是探索最佳实践，用于现有数据收集和持续努力学习，以建立材料数据存储库和其它数据基础设施。创建来自于其它领域的相似努力的最佳实践和经验教训以便于利用。例如，十年以前的人类基因组计划在基因组学领域掀起了一起革命，通过统一的数据努力推动。同样，通过路径寻找地球立方合作，地球科学界不断探索并定义他们共享数据模型的必要元素。

里程碑3.1.1：召开了一系列多部门利益相关方的研讨会，包括来自学术界，产业界，出版和政府的研究者，建立了不同的材料社区的需求，确定创建材料数据基础设施，以及定义度过这些障碍的潜在方法的障碍。[DOD and NIST]

最佳实践评估将协调整个联邦机构，以确保其成果符合机械的使命同时最大限度的提高所得基础设施的效率和功效。这一协调也将使因此产生的基础设施的潜在整合，进入联邦机构内的其它网络基础设施的活动，最大限度地受益于更广泛的科学界。

当评估与创建和维护与存储库相关的各类技术需求时，利益相关团体应该确定与使用数据相关的需求，例如快速和精确访问信息以及高级数据分析的新工具。MGI的活动将通过不断的努力，通过网络和信息技术研究和发展计算(NITRD)以及围绕大数据更广泛的社区提供一些关于那些问题的解决方案。

当前机构数据管理计划，例如那些由NSF首创，需要研究人员考虑，他将如何才能处理研究过程中产生的数据以及制作那些数据以方便其它的研究人员。利用当前的OSTP指南，增加联邦政府资助的科研成果的访问，数据管理将随着时间推移变革，更多的数据将可以公开获得。

里程碑3.1.2：在数据管理计划中培养最佳实践的持续讨论，用于参与机构有机会利用它们在MGI社区内更广泛的应用。

一个激励数据共享的重要手段是，确保那些生产数据的人获得适当的信贷。因此，需要发展社会规范，为了数字数据的适当引用，包括技术基础设施，以便使数据引用更直接，与数据对像标识符系统相似的作用在当前被用于引用出版文献。大量国内和国际的组织，例如国际科学理事会和国家信息标准组织，正在积极研究这个问题，并为数据归属和引用开发实践和标准。MGI开发的存储库可以选择采纳。长远看来，在材料科学领域采用数据归属和引用标准需要将社区对话、教育和适应结合起来。

目标3.2：支持创建残疾人专用材料数据库

目标3.1旨在识别材料数据基础设施的元素并且相关标准必须支持存储库的互通性和无缝数据传输。这种基础设施预计最终包括公共和私人参与的存储库(或“联合数据库”)的组合，它可以联网在一起，而其余的会在地理上分开，为研究和工业应用提供在线访问材料数据。这些高度分布的存储库将可以用来容纳策划数据并将实验和模拟所产生的数据容纳进来。仍然在定义和创建这些存储库运行的基础设施中存在几点挑战。

一个成功的数据基础设施将为学术界、国家和联邦实验室以及工业界快速和简便地提供有用的材料信息。例如一个基础设施将提供数据以及足够的提供信息以便识别它，评估它的效用，并支持简单的和复杂的基于语义的查询，超越了联合数据存储范围。

里程碑3.2.1：制定并实施了至少三种材料数据存储库的试点项目, 以评估各种存储库的模式，并启动材料数据基础设施模型定义。[DOD, DOE, and NIST]

这些试点项目将用于探索、调整和测试数据基础设施构件开发所需要的技术方式。利益共同体将实施这些试点项目来限定标准要求，包括数据共享和互通的格式和协议，为了使联合系统不受显式中央控制。最终的产品将是一个由高价值和实际社区为基础的工作系统的模型，并且它将展示搜索和识别现有实验或计算材料数据的工具，这些数据可能在一些特定的情况下使用。数据将会伴随着足够的信息被呈现出来以便于访问和选择哪些数据是有用的，以及合适的链接将被提供给数据访问机制。

目标4：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。在实用中，学生将会努力成为材料合成、加工或者制造领域的专家，例如，必须有足够的培训去理解材料模型和理论，而模型家和理论家必须理解建议他们的人的词汇的挑战、表征，并实施材料解决方案。为实现这一目标需要材料科学和工程课程不断更新以及各部门有助于教育下一代材料发现、开发，并部署劳动力。近些年，许多材料科学和工程部门已经在他们的课程中填加了计算材料科学课程，正式指导数据分析，不确定量化，和模拟、实验、理论的整合，将为学生提供成功实施MGI方法奠定基础.

联邦政府通过联邦科学、技术、工程和数学(STEM)教育5年战略计划，驱动拓展科学、技术、工程以及数学教育的活动，这有利于确定五个优势领域投入STEM教育。其中两个优先领域，提高了本科生STEM经验，并为明天的STEM劳动力设计研究生教育，关键是实现MGI的目标，并且联邦政府的具体活动将被设计来协调在这些领域中正在开发的实施战略。

目标4.1：追求新课程的开发与实施

作为协调和迭代方式工作准备学生的前奏，利用MGI开发的工具，第一步是要教育教师MGI的目标，包括它的方法和工具。联邦政府通过美国国家基金会、国防部、能源部和MGI项目资助大量的研讨会和学术研究。为了MGI的成功，研究人员将需要与来自不同专业背景的团队紧密合作。那些专注于制造或加工材料的研究人员，例如，必须有分析技术的理解能力，以便能够进行材料建模和处理。同样，理论家和模型家也必须暴露在话题下，例如制备、加工和表征材料的过程和限制。

里程碑4.1.1：创造机会，如暑期学校或实验室实习，旨在用MGI方法培训教师、博士后研究人员和研究生材料科学与工程。主题可能包括：通过国家最先进的电流模型和理论，熟悉实验材料科学家；通过合成和表征技术和局限性，熟悉计算材料科学家。[美国国防部DOD，能源部DOE以及国家科学基金会NSF]

因为专业从事集成理论、模型以及实验研究教师的数量不断增长，课程支持这一做法，无论是材料科学与工程还是其它院系，都将得到发展。材料研究本质上是跨学科的，会有来自传统材料科学与工程学科以外的专家参与进来，包括但不限于物理、化学、化学工程、生物工程、应用数学、计算机科学、机械工程、制造工程。因此，学术部门，大学和专业协会的领导将是关键。因此，院系、大学和专业机构的领导是至关重要的。

里程碑4.1.2：召集大学院系从事材料研究，包括物理、化学、生物科学以及工程，从而确定：（1）教育方法和维持跨学科研究需要的制度和专业激励措施，并且（2）为研究生和本科生从事材料职业或材料研究更好的整合理论、模型、实验以及数据分析培养的机会。通过学术带头人的年度会议确定和分享最佳的实践。

联邦政府可以接合大学来推动开发和采用与课程有关的新的内容方法，通过一些潜在的机制，包括里程碑4.1.2所涵盖的内容。美国国家科学基金会（NSF）是实施联邦STEM本科生和研究生教育活动的领导机构，它将负责协调联邦的各种努力，来培育与MGI目标相关的课程开发和实施。

许多本科生和研究生学习材料科学将在工业领域从事职业，他们将负责未来先进功能材料的发展和应用。出于这一原因，从事工业的领域人确定技术和专业知识就显得尤为重要，它将使新一代材料研究人员纳入有效的MGI驱动工具且在实践中在美国建立一个充满活力的21世纪材料和制造基地。来自行业、国家和联邦实验室，以及学术界的投入是必要的，以应对不断发展的能力要求和课程变化。

里程碑4.1.3：便于联邦机构、学术界和工业界之间的讨论，确定能力和技术需求，为新毕业生进入工业劳动力以及优先考虑他们在教育机构的发展方式。

MGI技术促进教育

使能力在材料基因组计划下得到发展，它将被广泛地和有效地用于加速材料的发展，这需要用新的工具和多学科的工作经历装备下一代材料劳动力。虽然不是常态，一个大胆的想法是为本科生提供这样的环境，在西北大学已经设计了一系材料设计教育创新。

认识工程学科通过实行学士学位来定义，以西北大学主导的钢铁研究设计协会开发了设计计算算法，始于1989年本科生材料设计课程可以教本科生。在独特的研究和教育整合的过程中，材料科学本科生研究团队实施每年一度的理论设计优化迭代，采用最新的实验测量以及建模和仿真预测。该课程提供了一系列实验室，在材料的基础数据库和图形参数化设计集成方法的基础上教授一套计算设计工具。

本科生团队由博士研究生指导，参加受资助的设计项目。在预测科学与工程设计（PSED），一个特殊的跨学科博士集群计划，这些博士学生，反过来，获得一大群研究生的帮助来完成项目。中央宣传活动为更广泛的受众颁布了新的设计方法，是综合计算材料工程领域内的硕士科学证书计划，通过它第一年上学期硕士研究生也参加PSED跨学科研讨会，最终在材料设计课程进入一个综合项目。

在本科生材料科学与工程计划的中，本科生将拥有多年的设计教育，本科生在他们的第三学年参加材料设计课程，在接下来的年头里，他们可以在更高级的项目中参加他们设计原型的实验验证。为了加强征集材料的计划，来自大一新生工程设计和通信课程，一个特殊的“墨菲学者”部分的学生团队，也与在大学生设计团队合作，为新材料增加设备应用探索。拥有一个高效的“techmanity”跨文化的设计计划，后面的课程是由写作计划中人文学教师合作教学的，一个更广泛的目标是为工程教育开发、评估，并启用新的类似的综合方法，以跨越材料类的扩展集合。

目标4.2：为综合研究经验提供机遇

让学生有机会成为从事与教师或实习工业相关的研究，常常扩充了科学和工程课程作业。这些活动通过课程作业夯实了知识，让学生接触材料的发现和部署，通过真实世界亲身体验产品的兴奋。同样，博士后研究人员可以从机会中受益，在这些早期的培训中，他们在学术界、国家和联邦实验室以及行业扩大合作者网络。为了磨练自己的知识和技能，本科生、研究生、博士后研究人员需要在实践MGI相关技术，学术界、政府和/或工业实验室作为他们训练的一个标准部分。行业在本次活动中发挥关键作用，且社区领域讲习班应该考虑行业、联邦政府支持和新机遇的适当角色，为指导与MGI话题有关的活动（如，研讨会、实习、工作见习、或顶点项目评估）。

里程碑4.2.1：促进最佳实践和机会进行对话，不仅为了现有的计划，还为了潜在的新的伙伴关系行业、大学、联邦机构以及国家和联邦实验室。[SMGI]

里程碑4.2.2：为扩大博士后研究机会制定和提出方案，包括专门实施MGI方法的研究团队中有针对性的岗位。[SMGI]

brantbai 发表于 2014-12-24 22:34
目标2.3：提高实验工具-从材料发现到部署 材料在结构上通常是分层的，从原子到宏观尺度。这种层次结构 ...

先进材料将促进突破性技术的发展，这将不断提高下一代的生活质量。为了保持美国产业在关键部门，如国家安全、人类健康和福利、清洁能源、基础设施和消费类产品、产品创新和制造的竞争力，应该发生比竞争对手相媲美的更迅速、更有效地努力。材料基因组计划 （MGI）将提供革新的技术和文化框架，它可以平衡跨越公共、私人和学术部门集成的多学科研究和工程，可以成功的加速改善现存材料和工艺，并发展未来富有远见的材料。

本章重点介绍成功的MGI以实现在安全、人类健康和福利、清洁能源系统以及基础设施和消费类产品的国家目标。

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。材料的进步是重量更轻的保护系统和车辆、先进的高能材料、涡轮发动机使用的复合材料、国防系统和电子的寿命预测、能量储存和分配，以及其他的应用是重要的。。许多重要材料的发展最终被转换为商业品，它大多数提升国家的幸福感。

使用拉曼光谱原位探测燃料电池

先进的燃料电池技术提供高效、清洁和安静的发电。便携式系统设想用于军事应用必须是坚固的和稳健的。设计必须假定严峻条件下的燃料来源可能是有限的且不容易认证的。了解与氧还原相关的复杂反应动力学和在特定操作条件下使用多种燃料、发生在固体燃料电池（SOFC）的燃料氧化设计，对提供电池资源的可靠性是关键的。

认识到在相关操作条件下定量数据的迫切需要，海军研究办公室支持先进的原位表征工具的发展。一队来自美国海军研究实验室和蒙大拿州立大学已开发原位光学和热血诊断，用于探测700℃-800℃典型操作温度的固体氧化物燃料电池，它结合使用拉曼光谱和热成像技术以确定SOFC阳极的原位化学和电化学反应。这些非侵入性、非破坏性、实时监控技术提供量化的数据和可视的复杂现象。使用这种先进的分析工具紧密整合发展理论和预测模型，验证并运筹更精确的模型，使研究人员能够开始预测SOFC材料工作时如何与不同的烃和醇的燃料相互作用。

例如，这种诊断技术已经揭露在电池操作时加剧碳排放的相关条件和限制电池性能的有害影响。其结果是，固体氧化物燃料电池的性能可以通过选择燃料或固体氧化物燃料电池的材料组成和结构的变化而改善。开发评估部件的在操作时合适性能的能力是可能的。

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。例如，新兴生物相容性材料有可能继续发挥技术进步的关键作用，以制作有针对性的医疗设备、智能假肢、培育人造器官。有机和固态传感器支持医疗诊断工具和体内医药产品传递，以及新颖的化学品提前交货和药物功能。新的分离技术使更广泛的获得清洁饮用水，这是一个主要的全球健康问题。应用MGI原则发展这些技术将允许美国继续在提供人性化生活质量方面居全球领先地位。

在组织工程应用MGI原则

从干细胞或其他前体细胞增长的新的身体组织需要了解和利用一个因素复杂的相互作用。当前实践涉及把前体细胞注入到多孔“支架”以诱导它们分化为不同的细胞类型，它可以表征所需的组织。支架材料通常被选择为具有一定形状、孔径和孔连通，它会在适当的3D环境适应细胞增殖，同时允许支架当有新生组织时安全降解，使随时间生长的新生组织完全取代支架。

一种特别的具有挑战性的问题是氧、营养物和废物产品输入和输出生长的细胞。困难时找到正确的空间、机械和化学的正确组合，以及组织生长和支架降解的平衡速率问题和管理营养物和废物运输问题，建立了多因素的优化问题和研究活动的机会，这些活动涉及实验、计算和数据管理的复杂相互作用。一个MGI方法开发了一套集成的工具，可能是一个有前途的解决组织工程领域的迅速发展的挑战的方法。

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。

在“所有上面”的国家能源战略-包括化石、核能和可再生能源以满足未来能源的需求-发现和发展先进材料用于治理、转换、分发以及利用这些能源提供人类可承担的、丰富的、环境负责的能源系统是关键的。这种可持续系统的例子包括创新的材料以更充分地利用庞大的太阳能资源，开拓能源存储材料，以实现多元化的能源治理和交付基础设施、新型合金使在极端环境下进行高效的能源转换，和开创性的催化剂促进从各种原料生产能量密度液体燃料。

从第一原理设计催化剂

催化剂是95％以上的工业化学品和燃料制造必不可少的，因为它们做出艰难的技术转换和经济上可行。知名的商业流程包括，如，氨合成与Haber-Bosch工艺。传统上，催化剂的具体转换已经由以前的经验指导搜索而确定。当需要一个未经考验的转换时，这样的搜索可能会很长，经常是不成功的。对某一类型的特定化学家的反应性，联系其材料结构通常提供不足的指导，因为催化剂和反应物质的参数空间包括特定的反应环境和局部、亚结构和远程结构。这种广泛的参数空间还包括反应物之间的相互作用，溶剂、界面、表面下和批量的材料，以及各种能源的激励。

对于给定转化而没有以前经验的催化剂完全的从零设计还没有实现，但这样的设计更接近成为可行的合理方法，如材料基因组计划的设想。一个例子是在SLAC国家加速器实验室的界面科学和催化的SUNCAT中心，其中正在进行许多活动以加速理解催化剂的行为和性能。电子结构理论用于实验方法和模拟表面反应型的结合。采用在SLAC的先进X射线同步加速器光源和斯坦福大学的合成设施，使得原子水平结构数据的革新和分子水平机械细节的理解。X射线研究提供在相同条件下催化剂在实际应用中的结合信息。界面光谱结合表面相互作用的理论、粘结趋势关系、模拟表面动力学，提供了能量在空间和时间准确的定量分布。产量和材料的反应性的研究揭露了这个催化周期中提供结构、稳定性和性能的相关性。

这些活动的同时，正在开发更多的预测理论方法。这些方法包括电子结构理论的复审，以最大限度地提高精度和减少不确定性。它们还包括强化数据管理混合数据的一致性。这种实验和理论工具的广泛结合对实现受欢迎的转换是关键的，如使用光良性生物质和廉价的催化剂。

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。下一代的手机可以使用灵活的、太阳能发电材料而构建。先进光纤有一天能够提供更快的互联网接入。这些应用和许多颠覆性的技术还没有预想可能被MGI发现和加速新的应用。最终，部署材料为大量生产的消费品应该是安全、易处理和可能再利用的材料。

MGI在汽车领域

汽车行业一直是并将继续是发展和实施集成计算材料工程（ICME）工具的领导者，导致显著开发成本的节约和提高已经掌握了这些工具的企业的竞争。一个早期的例子，福特汽车公司的研究人员开发了一套ICME软件工具，它能捕捉到丰富的铝合金铸造技术、铝冶金、机械性能和产品的耐用性的知识，使新产品和铸造工艺更快发展。在使用ICME之后，福特汽车公司报告过七比一的投资回报率（一个铸铝福特的锐钛V6采用福特虚拟铝铸件ICME工具设计发动机缸体，如下图所示）。

材料基因组计划（MGI）提供了增强和加速这种发展的一种手段。连续性的不断增加需要减少汽车对环境的影响，需要显著减少车辆的重量和动力总成技术的重大进步。为了加速新材料发展主要的目标，MGI在确保这些需求得到满足方面发挥了重要的作用。

迄今为止，汽车业为了快速、更低成本的产品开发主要采用于ICME工具，使用现存的金属合金，但类似的工具也可以应用于新的合金设计。首次新合金发展项目的一从使得MGI有可能为汽车动力总成零部件快速发展新的铸铝合金。美国汽车公司，包括通用汽车和克莱斯勒，与他们的供应商、高校研究人员和国家实验室合作，相继推出开发具有成本效益、铸铝合金、显著改善高温性能的铸铝合金的项目，如强度和耐环疲劳载荷。这些合金有望实现减少尾气排放，这通过使得更高的废气温度和显著降低发动机的重量。在发动机运行的新型合金性能被预测在未来四到五年内，显著加速典型的20年时间尺度的新材料和材料研究和倡导MGI工程化的技术和方法的成功。

图片由密歇根大学的约翰•阿利森提供

brantbai 发表于 2014-12-24 22:37
先进材料将促进突破性技术的发展，这将不断提高下一代的生活质量。为了保持美国产业在关键部门，如国家 ...

国家安全技术的进步，人类的健康和福利，清洁能源，基础设施，以及消费品对确保一个繁荣的国家是至关重要的。材料基因组计划（MGI）提供技术和研究框架，来促进在这些行业中材料学问题的解决。材料基因组计划需要材料科学和应用领域的各种交叉才能成功。通过MGI跨部门委员会2013年组织的两大挑战峰会，科学和工程界探讨了实现MGI的几个材料类和应用领域的关键问题。该峰会集中讨论了生物材料，催化剂，相关材料，电子和光子材料，储能材料，轻质结构材料，有机电子材料，聚合物，聚合物复合材料。峰会的参与者包括来自学术界，国家和联邦实验室，工业和联邦机构的代表。峰会提供了不同领域沟通的桥梁，确保这一战略计划综合考虑到科研界，工业界和商业界。

峰会的参与者被要求提出能够激励人的大挑战，使未来的MGI相关研究促进材料学科和应用领域的创新和技术跨越发展。在每个材料类或应用领域，与会者都认为目前这些挑战是很吸引人的。随着研究的进展，MGI取得大量的进展，这些大的挑战中的小部分有望被更好的定义

许多这些挑战直接支持国家在清洁能源，国家安全，人类的福利，基础设施，以及消费品中的目标。所选材料和应用领域如表1所示，包括国家需要的原发性和继发性领域的重点课题。

表1 大挑战峰会涉及的材料类和应用领域和他们与国家需求的关系

	国家安全	人类健康和福利	清洁能源系统	基础设施和商品
生物材料	○	●	○	●
催化剂	○	●	●	●
聚合物复合材料	●	●	○	●
关联材料	●	○	●	●
电子和光子材料	●	○	●	●
储能材料系统	●	●	●	●
轻质结构材料	●	●	●	●
有机电子材料	○	●	○	●
聚合物	○	●	○	●

●原发性        ○  继发性

峰会形成了每一个指定的材料类或应用领域的作用和重要性，以及相应MGI可以帮助解决的科学和技术挑战的列表。峰会上出现的几种常见的或跨部门的主题包括：

（1）需要接受更深层次的整合材料发展的实验和各阶段建模研究，（2）多个空间尺度和时间尺度结合，（3）数据和材料样品的管理和获得，（4）连接发现，开发与制造的过程，（5）为下一代劳动力提供仿真和实验方面的教育。

本章的余下部分是由峰会产生和会议主席批准的参加研讨会代表的意见。

生物材料

在过去的二十年，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。以下是对生物材料与MGI相关的挑战：

•在空间和时间尺度，发展理论和建模

•加速动态材料和利用生物自组装材料的合成与制备。

•设计材料，形成三维（3D）自组装功能对象的化学模拟逼真度的Watson-Crick配对（即，非DNA）。

•利用生物活性材料的再生医学。

•创造材料，控制生命系统的功能（或反之亦然）。

•得到合成聚合物的化学测序策略。

•发展创造材料突现性策略。

•开发无损结构表征材料，在不同的尺度上发现链接功能的工具。

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。以下是发现可以显著降低时间成本的新的催化剂的大挑战：

•开发建模工具，超出基本理论（例如，密度泛函理论）可以做更高的精度达到较长的空间和时间尺度的研究，并表示复杂的环境和反应网络。

•通过实验和计算定位活性位点及其功能，促进催化科学发展，同时加速应用。

•发展先进或新的原位光谱和显微技术，评估实际操作条件下的催化剂结构和性能。

•建立一个关于催化剂，催化速率，和热化学数据的开放的数据库。

•创造新的合成策略，在分子水平上定义多个功能的催化剂设计，即可以应用在实验室，又可以大规模商业化。

•开发工具，利用热力学和相图信息或数据挖掘的文献建议合适的合成技术，条件，和前体材料。

•建立材料催化性能评估的测试标准（例如，渡越时间）和表征的协议（例如，表面积测定），和验证材料鉴定。

高分子复合材料

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。以下是MGI在聚合物复合材料领域，主要的科学和技术挑战：

• 3500立方厘米（立方厘米）的全三维水平成像，以复合材料部件的多维数据集为例，分辨率达到可以区分成分，取向，和分布的水平。

•开发测量和模型确定非平衡态，聚合物分子量，和三维的组分固化过程中化学官能团的变化。

•开发一个开放的综合测试和仿真数据的数据库，。

•利用“分子动力学”模拟化学键的断裂和形成来预测最终性能。

•定量和更真实描述微观结构，包括局部的的化学计量学变化，缺陷的形态和分布，和组合物梯度。

•通过精确建模，预测损伤的形成和扩展。

•在多物理/化学动力学模型基础上，捕获所有有关的现象（包括不确定性）。

•从单个原子到宏观尺度，利用快速的实验技术，在所有相关的空间和时间尺度上，测量的性质及其变化。

•模型热残余应变的演变，特别是对高模量碳纤维的情况。

相关材料

最近发现的新技术材料具有非凡的性能，这是由于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。具体的大挑战包括：

•迅速调查这些材料，使用关联效应形成的能量，产生的动态结构，和激励的方法。

•使用多变量的优化技术，导向合成新材料类。

•模型相关材料的结构和增长。

•发展亚10纳米（nm）的设备制造能力，期待着长期的纳米3d打印机。

•应用系统集成模型，集成纳米尺度上的复杂设备，衔接尺度和方法。

•集成仿真和实验，特别是在大的用户设备的一些实验产生大的，四维数据集。

•通过控制相关的现象，利用在氧化物界面工程的机遇，电化学纳米级的控制，和非线性存储装置的缺陷工程，创建新设备。

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。成功地解决了以下重大挑战将支持范围广泛的系统和应用电子学和光子学和的进展：

•预测的激发态，运输，和电子材料中的非平衡结构。

•表现出高度精确的理论和方法，来对结构小于10 nm的材料的电学和光学性质的建模。

•建立完整的设备的预测模型，或使用的材料特性的输入系统的性能，集成模式，加工历史，结构或缺陷的属性，和空间或几何特征。

•开发模型和验证数据，使台式设计制造的组件向现有的设备设计的过渡。

•逐步验证，并呈现透明的，以材料为中心的数据库（便于理解而不仅是提供数据）。

•模型和预测在生产规模尺度的装置，电路，或电子系统的性能，而不仅是得到研究尺度。

•模型和预测部分生产设备变化的材料特性和处理功能。

能量存储系统

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。

MGI大挑战峰会期间，与会者确定电池的研究是目前最为紧迫的，同时提出了相应的挑战：

•建立稳定的新的电池系统，通过固体散装和界面反应机理得到可能的电解质，使系统具有高能量密度。在这五年内建立五伏系统的数据库。

•识别和量化低速降解机制，确定长期的失效模式，加快新材料和新的电池系统设计。

•加快新材料和它们掺入到电池系统推进的预测工具的广度和能力成；特别强调计算工具，无机化学和信息，以及计算包括动能的Pourbaix像图。

提出的其他的具体目标：

•发现和设计新的金属阳极。

•连接材料固有的物理和电化学性能。

•发展能够预测和设计添加剂及微量杂质的方法。

•不易燃的但高性能的电解质的发现和设计。

•使三伏含水电池更稳定的水系统。

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39。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。下面是改进轻质结构材料的一些典型挑战，这些目标如果成功了，将会显著促进轻质结构材料的应用：

•定量预测任何金属合金的腐蚀行为和预测对性能的影响。

•在一周之内充分表征一立方厘米的复杂的工程合金材料的微观结构。

•建立综合实验和建模方法，在一天之内，无损测试超过10立方厘米的体积的材料在三维空间中的残余应力场的全张量分量。

•发展的一种手段，为更高的长度规模的实验，模型，设计提供代表性的体积。

•创造，发展，和维护方便数据访问的联邦数据库和数据库工具。重点领域包括：热力学，动力学，弹性常数，热膨胀系数，晶体结构，导电性和导热性，塑性性能。

•开发分析工具，可以从大的数据库高效提取不同工艺性质的联系。

有机电子材料

许多来源预计基于碳，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。这需要了解以下大挑战的解决方案：

•预测分子的晶体结构和多晶形态。

•在不同大小和长度，时间，和维度组合情况下，描述和建模材料的性质和行为，，包括晶粒结构和介观晶体和非晶域分布。

•在分子尺度预测设备属性演化过程。

•创建一个液相的制造模式。

•发展有机电子生物界面的一个综合模型。

•发现性能不稳定的标记。

聚合物

在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。会议提出以下关键挑战：

•发展中尺度模型预测的平衡和非平衡聚合物的结构，形态，和性能（包括流变学），以及设计对聚合物结构与性能的处理策略，。

•功能高分子材料的结构设计。

•发展来描述和解释实时三维结构和动态策略。

•发展策略来在很长的时间尺度的演变过程中识别，建模，预测，控制聚合物材料的性能。

•开发计算机来研究设计极限以上的响应性聚合物的方法。

材料基因组项目（SMGI）的小组委员会开发了此战略计划以向材料基因组项目提供发展路径。由MGI相关的联邦机构和更广泛的学术和工业材料科学与工程的结合输入吸引，SMGI已定义了具体的目标和短期的里程碑，这将使得总统减少材料进入市场时间和成本的挑战得到满足。在这个计划中描述的多方面方法（使得文化范式的改变；综合实验、计算和理论；便利获得资料数据；以及装备新一代的劳动力）是取得成果必须的。

该计划的目的是使MGI社区，包括联邦和私人利益相关者，使用这些目标和阶段性目标在未来几年以推动和聚焦研究和开发工作。例如，已面临巨大的挑战，而不是全面的，包括MGI可以解决的许多的科学和技术障碍的例子。建设材料创新的基础设施，并用它来解决这些和其他技术障碍将使材料科学与工程社区在一些国家最紧迫的挑战方面起了关键作用，这些挑战包括健康和人类福利、国家安全、清洁能源和经济繁荣，包括消费品类的基础设施和竞争力。MGI在材料的研究和开发既有战略和具有成本效益的投资，也具有潜在显著的经济、技术和科学利益。

brantbai 发表于 2014-12-24 22:38
国家安全技术的进步，人类的健康和福利，清洁能源，基础设施，以及消费品对确保一个繁荣的国家是至关重 ...

附录A：机构的兴趣和重点领域

在2012年2月，材料基因组项目（SMGI）的小组委员会构成国家科学和技术委员会（NSTC）的委员会的部分技术（COT），以促进各联邦机构的协调努力，确定政策支持全球竞争力（MGI）白皮书的材料基因组概述的目标和实施建议。SMGI成员机构继续资助材料科学与工程研究和开发（R＆D），以支持他们的代理任务的努力和责任，同时有为NSTC贡献专业知识和建议的能力，以促进更广泛的国家在加快先进材料的发现、开发和部署的努力。在本节中，机构描述了在材料科学研发和MGI优先权的个人利益。

国防部

国防部（DOD）的领导考虑通过MGI促进更加强调集成计算材料工程（ICME）对未来作战系统的负担能力和长期计算创新非常重要。作为一个宣教机构，DOD独特的定位相关的工程问题的目标，以多种学科相关的研发致力于集成相关的全部材料连续性，从发现到开发、部署、维持和资产的退休。在基础层面上，DOD投资于基础研究，以通过第一原则计算、加工-结构-性能关系的开发和定量、新实验和表征工具、计算工具和多尺度的建模能力以探索材料。这方面知识的成熟和行业已有工具的发展是通过适用研究和先进发展的资助，以及在小型企业创新研究（SBIR）和小企业技术转移研究（STTR）而完成的。与材料供应商和原始设备制造商工作，以帮助指导研究，DOD将平衡制造技术（ManTech）的制造科学和技术的重要投资项目以建立技术转让的伙伴关系。这种合作将加快先进的材料和系统的实施信心。以身作则，DOD研究人员和执行者将与学生和同行致力于开发下一代劳动力的文化和培训的影响力，以充分满足MGI的目标。

DOD通过其委员会对先进材料和工艺的兴趣努力与NSTC小组确定，如何建立和协调这一倡议。军事部门和国防部机构的重点投资于这两个会议的任务目标，并制定可行的集成计算材料设计和加工的承诺。减少材料设计和制造所需的时间对DOD的关键应用具有潜在的加速使用和应用价值。DOD的投资（1）开发进一步加速国家先进材料能力所需的基础工具；（2）建立所需的通信基础设施，以支持大量理论、计算和实验数据的存储和共享，它们是加速发现到部署连续性必需的；（3）在最佳使用这些先进工具集合数据库方面，教育下一代科学家和工程师。

DOD计划和项目支持MGI的例子包括通过部件的研究企业协调和互补ICME相关的努力，如：（1）推进计算和实验方法的基础科学；（2）捕捉工具的工艺-结构-性质-性能关系的理解以连接组件和系统设计的材料科学家和工程师以加速从开发到维持的材料实施的信心；（3）确定多尺度的随机和统计的建模的数学方法；（4）发展结构的降阶描述和组织演变的模型以更好的管理不均匀性和不确定性；（5）从量子化学拓扑结构通过实验衍生的性质，产生和归纳数据集；（6）通过多学科和多尺度建模开发复杂的电子材料；（7）设计和开发新材料，其对极致的动态环境具有预测性能；（8）整合验证的反应动力学和运输的物理模型，转变为设计先进电化学发电和存储设备的计算流体动力学代码；（9）综合实验和建模以创建更深入的理解和设计和制造高能量密度电容和钛加工粉成分的工具；（10）在设计和生产镍基高温合金涡轮发动机结构时考虑残余应力；（11）为高温聚合物基复合材料发展数字化设计系统；（12）通过轻量级和现代金属制造业创新研究所开发先进的制造能力；（13）加速现有材料新应用的认证。

能源部

美国能源部（DOE）在MGI推动能源相关的应用的先进研究和软件中具有主导作用，如储能和太阳能燃料；对于轻型和高温结构材料的强烈重叠组合更广泛的国家影响的话题；和功能材料，如催化剂和光伏、磁性和超导材料。目前DOE MGI活动集中科学办公室下的基础能源科学办公室的（BES）、能源效率和可再生能源（EERE）办公室和化石能源（FE）办公室。此外，还有材料研究国家安全的能源部的国家核安全管理局（NNSA）和显著应用材料研究进行针对性技术方案的高级研究计划机构-能源（ARPA-E）都有悠久的历史。

BES支持材料科学与工程、化学、地球科学和物理生物科学的基础研究以理解、预测，并最终在电子、原子和分子水平控制物质和能量，包括研究以为新技术相关的DOE的能源、环境和国家安全的任务提供基础。BES的MGI活动、预测理论与建模，着重于导致新理论和造型设计范例、通过实验验证的研究，这将提高发现新的或显著改进材料、材料系统和化学过程的速率。活动包括新的软件工具和数据标准的开发，这将促进从材料发现到应用的完全集成的方法。还包括推进材料和化学过程的实验到方法的研究，提供用户友好的软件以捕捉相关系统的基本物理和化学。同样重要的是利用现代实验技术的能力，包括：（1）BES支持的用户方便的材料X射线和中子散射表征，（2）建立在BES支持的纳米科学用户设施和核心合成科学项目的先进材料合成，（3）化学过程的分析，包括能源相关的过程，如燃烧和催化。该计划支持软件中心，以及单个研究者和小团体的研究活动。

EERE支持广范围的能源效率和再生能源应用的高影响力的应用研究和技术开发，其中高性能材料和过程发挥了重要作用。MGI活动在EERE通过证实计算和实验工具的应用中支持材料研发，同时强调有竞争力的和高效率的制造工艺，并考虑这些工艺和材料在满足现实世界系统的工程挑战的影响。实例包括施加的计算工具，从较低成本的原料和更低的能量强度的制造者提供性能更高的碳纤维复合材料，加快替代材料的开发，如磁铁和先进合金的稀土元素（REE），研究高能效结构系统的新的轻量化、高强度合金和复合材料。所有这些努力的重点放在实现工业的广泛的跨领域技术，支持节能和清洁能源的产品和应用。EERE支持的MGI努力链接竞争性、可扩展和高效节能的制造和工艺的研发，以控制和提高材料性能，如通过使用ICME技术和其他投资。

FE通过我们国家的实验室和大学、科学和工程的持续推进支持专注于提供化石能源技术的选择以推动国家经济、加强安全和改善环境。MGI的文化和方法是加速技术成熟的关键，这将使美国有效地使用我们的化石燃料资源，同时最大限度地减少对环境的影响和维护全球能源的领导作用。具体来说，FE系列是借集成、多尺度计算和实验方法的许多活动，包括为捕获碳开发的工程材料、极端环境的金属合金、气体转化的催化剂和碳隔离的工程的和天然的材料系统。

NNSA负责维护美国的核威慑能力，需要基础科学和应用科学。的确，NNSA需要在极端条件下没有核试验时理解这两种先进的计算方法和材料性能，常常导致发展综合的计算材料科学。特别地，NNSA的重点是了解在极端条件下，从聚合物到锕类材料的老化，以及理解支持这些任务所需要的所有基本工作。

为了支持清洁、安全和负担得起的美国能源的未来，ARPA-E催化并加速科学发现转化为高影响力的能源技术，这对发展中的私营部门的投资为时尚早。应用材料研究在很多ARPA-E项目中起了关键作用；ARPA-E在学术界、小型和大型产业、国家和联邦实验室的执行将使用MGI开发的先进材料设计和材料数据分析的计算工具。

美国国家航空和航天局

美国国家航空和航天局（NASA）为MGI提供暴露在极端环境下运载火箭和其他基础设施的材料的继续理解的独特平台。MGI的目标、目的和优先配合美国航空航天局的技术路线图区10：纳米技术和12：材料、结构、机械系统和制造（MSMM），特别是在计算材料设计领域。确定特定任务极端环境的材料性能和新的复合材料、金属合金、混合材料所需的革命性的计算分子和原子为基础的模型，以提供前所未有的性能，代表了NASA长期的但非常高的投资回报。这一承诺将使该机构和国家开发未来一代的材料，并建立确保在复杂系统的极高可靠性的基本物理学为基础的理解。

美国航空航天局的空间技术任务理事会（STMD）开发首创的、跨领域的技术，它使内部和外部利益相关者完成多任务。通过投资的高回报、转型和产业不能应对今天的颠覆性技术，STMD的成熟技术需要NASA在科学和探索的未来任务和充满活力的航天产业基地。STMD的组合，MGI有望在材料、结构和先进制造业项目中发挥至关重要的作用。

一个主要的重点是开发新技术，它可以降低时间滞后-目前约20年-通过航空航天委员会从发现到接受一种新材料。另外，大约4亿美元花费在材料的认证和验收过程中。革命性的材料需要实现其上述的目标不得不开发使用现存（如启发式和试错）的方法；新方法对设计、开发、加工、认证和维持轻质的材料和结构是必需的。NASA的远程MGI愿景是包括材料和制造作为数字设计过程的全面元素。MGI项目的目标是提供在计算上引导材料设计用于热保护系统（TPS）、结构材料和智能材料，以及超级合金、陶瓷基复合材料（CMC）和多功能材料的关系数据库。该项目的目标将是：（1）有利于新兴材料体系，包括航空航天应用的多功能材料的跨中心的建模工作；（2）通过多尺度建模定义压缩材料的成熟和插入通路，以降低材料测试和缩短材料优化的迭代周期；（3）给材料设计者评估所关注的快速成型的选择材料性能之间权衡的能力。此外，NASA将与其他SMGI成员机构努力协调，以刺激美国制造业减少新兴材料体系上市的时间。NASA将分别调整其材料开发领域在NASA技术领域10和12路线图，纳米技术与MSMM的感兴趣活动。

国家标准技术研究所

MGI和美国国家标准与技术研究院（NIST）的任务是紧密排列的。NIST通过推进测量科学、标准和技术的方式促进美国创新和工业竞争力，增强国家经济安全和改善生活质量。MGI正是通过提供手段精确解决这些任务元素，以降低材料的发现、优化和部署的成本。这两个任务是由产业竞争力所驱动，以创建材料的创新基础设施的标准目的。

鉴于NIST在集成、策展和供应精密评估数据的专业性，NIST起了MGI的领导作用。为了在材料开发生态系统之间和内部培养广泛的使用MGI范式，NIST正在建立必要的数据交换协议和手段，以确保材料数据和模型的质量。这些努力会取得加速材料开发必需的新方法、计量学和能力。NIST正在与行业、学术界和政府的利益相关者工作，以制定能收购、代理和发现材料数据的标准、工具和技术；跨越多种长度和时间尺度的材料现象的计算机模拟的互操作性；和材料的数据、模型和仿真的质量评估。

在内部，NIST正在进行几个方法查找项目以开发材料创新基础设施的关键环节，暴露在基础设施的建设难题，并作为MGI更广泛努力的典范。这些努力包括试点项目以开发高温合金及先进复合材料，这两者都是新的、节能的运输材料。NIST的材料测量实验室负责协调这些与NIST信息技术实验室合作伙伴关系的，全国协会广泛参与的活动。为了支持这项工作，NIST正在开拓的材料数据和模型的仓库，导致DOE EERE计划资助的汽车轻量化材料的研究。NIST希望这种做法扩大到其他机构，这要通过直接合作伙伴关系和最佳做法的传播。

为了实现这些宏伟的目标，近10年来，NIST一直每年投资500万美元资助优秀的先进材料中心。在2013年12月NIST和芝加哥团队之间的合作协议-分层材料设计（CHiMaD）中心-被公布。新中心将专注于开发下一代的计算工具、数据库和实验技术，使“设计材料”这是政府当局的材料基因组计划（MGI）的主要目标之一。CHiMaD将聚焦这些技术特别困难的挑战，新的“分层材料”的发现。分层材料利用不同尺度的从原子到宏观结构的不同结构细节以实现特殊的、增强的性能。

对于2015财政年，政府提出扩大NIST的努力，和关键MGI的基础设施投资。重点领域包括深化NIST在先进材料的测量科学和数据基础设施的投资，追求共同设计先进的计算和实验技术和分析方法的发展，以利用“大数据”应用材料的新兴学科。

美国国立卫生研究院

美国国立卫生研究院是进行和支持医学研究的主要联邦机构。美国国立卫生研究院的使命是寻求对生命系统和应用的自然和行为的基础知识，以提升健康、延长生命，减轻疾病和残疾的负担。朝向这些目的，美国国立卫生研究院的领导意识到，在材料、特别是生物材料的进步对生物学和医学具有潜在价值的贡献，这反过来贡献医疗保健的新纪元。例如，联邦机构的研发投资，已产生高级材料、工具和仪表，可用于研究和了解健康和疾病的生物过程。美国国立卫生研究院资助的研发力度，特别是带来了检测、诊断和治疗常见和罕见疾病的新范式，从而导致新的治疗和诊断的生物标记物、测试和设备。

美国国立卫生研究院通过校内和校外的资金刺激在生物材料发展的发展以支持材料基因组计划。更多信息的NIH资助的特定主题，请访问NIH的研究组合在线报告工具-www.report.nih.gov。NIH机构也支持大中心资助、资助项目和小企业，它们的技术或产品被许可或目前正在进行第I-III阶段的临床试验。

美国国家科学基金会

美国国家科学基金会（NSF）支持基础科学和工程研究，这产生的发现促进了国民健康、繁荣和福利。新的和先进的材料在所有这些国家需要方面是关键的；因此，NSF很高兴通过其项目参与MGI，设计材料以革新和设计我们的未来（DMREF）。MGI意识到材料科学与工程在社会福祉和发展的重要性，其目的是“比现在的步伐至少快两倍，成本只是小部分。”作为国内首创，MGI集成了材料连续的所有各方面，包括材料的发现、开发、性质优化、系统设计和优化、认证、制造和部署。材料理论、先进的计算方法和可视化分析，数据-启用科学发现和创新的实验技术的集成是在这种方法的材料科学与工程的必要革新是关键的。NSF将通过其DMREF项目促进这种整合。

根据其专注于基础研究，NSF对通过加强知识基础和理解以加速材料发现和发展的活动感兴趣，这些对朝向设计和制造特殊和来自第一原理的具体的功能和性质的材料是必需的，这种方法通常被称为“设计问题”。由MGI解决的复杂性和挑战需要一个变革性的方法来发现和开发新材料，优化和预测材料性能，并告知材料体系的设计。因此，通过DMREF支持的研究必须是一个协作的和反复的过程，由此计算指导实验和理论，而实验和理论告知计算。通过促进这一合作和迭代过程，NSF的活动将实现该战略计划的第一个目标：促进材料科学与工程额研究、开发和部署方法的模式转变。为了进一步支持实现这一目标，NSF鼓励材料教育的新方法，为学生提供所需的知识和经验以积极参与材料发现的新方法。

通过DMREF资助的研究旨在促进跨长度和时间尺度的材料的基本理解，由此阐明工程材料的性质和性能的微观结构、表面和涂层。最终的目标是通过设计控制材料性质，这通过建立组合物、加工、结构、特性、性能和过程控制的相互关系，通过测量和实验加以验证和证实。所需的新功能包括：（1）创建和表征材料的方法；（2）理解材料现象和性质的理论概念；（3）数据分析工具和统计算法；（4）预测模型的进步，它平衡机器学习、数据挖掘以及稀疏逼近；（5）数据基础设施是可访问的、可扩展的、可伸缩的和可持续的；（6）协作管理支持材料设计、合成和纵向研究的大型的、复杂的、异构的、分布式数据的能力。

NSF在2012财政年为DMREF颁发奖项并通过良好的协调活动继续支持该项目，活动涉及数学和物理科学（MPS）、工程（ENG）、计算机和信息科学与工程（CISE）的董事职位。在MPS，化学（CHE）部门、材料研究（DMR）和数学（DMS）加入了DMREF。土木、机械和制造创新（CMMI）的ENG部门；电力、通信和网络系统（ECCS）；化工、生物工程、环境和运输系统（CBET）也参与其中。所有CISE部门致力于DMREF活动。

美国地质调查局、内政部

虽然MGI大多集中在材料的生命周期的中间-材料的发展到制造-对于前端和后端有重要考虑：（1）原材料的发现和加工；（2）供应风险和材料流动；（3）跟踪和辨别资源，如元素/矿物质的冲突（例如，钻石、钶钽铁矿[铌-钽矿物]和黄金）；（4）材料的回收和处理。美国地质调查局（USGS）具有在所有这些领域，但尤其在第2广泛的研究活动。例如，美国地质调查局在这些领域具有广泛的研究，尤其是前两个。例如，USGS是发现、评估和生产矿产资源联邦信息的主要来源，其中包括如何以及在哪里可以找到周期表的任何元素，它也许可以用于MGI研究。一个基本的认识是，资源起源于地球，而不是实验室或制造工厂。这些东西都是相互关联的。例如，当开发一个新的材料或工艺，了解所需资源的可用性是很重要的。如金、铂、稀土有许多奇妙的特性，但也有潜在的天然的和政治的供应限制。因此，考虑到发现部分材料的生命周期可能影响研究和制造的方法。同样地，新研究方向的知识，如特定纳米技术的钴，可以影响未来USGS在矿石发现和评估的研究方向。

附录B：联邦的相关活动

制造业

材料基因组计划（MGI）由总统发起，同一时期，先进制造业合作伙伴关系（AMP）也同时启动。AMP旨在在政府，工业界和学术界的建立合作伙伴关系，识别在改进多个制造业领域技术、工艺和产品中的重大转折性机遇。MGI，AMP和其他制造业提案的一系列相关活动表明，MGI和政府的努力振兴美国制造业之间的密切联系。MGI提供先进的计算软件，数据库，和相关仪器，将提高国内制造业的竞争优势，减少需要引进新的材料和产品的时间，并为现有产品安全地引入改性材料。

和总统关于制造创新的国家网络的观点一致，2013年政府宣布让三个新的制造创新机构加入现有的国家添加剂制造创新研究所。一个新的机构将由能源部（DOE）管理，致力于宽频带半导体电力电子器件的发展。另一个将主要受国防部海军研究办公室管理，研究 “轻量级和现代金属制造”。这是MGI成员机构研究比较集中的地方。最近，总统宣布建立先进复合材料制造业创新研究所之间的竞争机制，为新的制造业的创新机构将推出的第一个竞争机制将在2014年发布。

2013，美国能源部发起了一项清洁能源制造计划，旨在提高清洁能源产品的生产，促进美国制造业的竞争力和全面提高能源效率。DOE计划的一些活动包括MGI能够加快清洁能源相关材料的制造，包括制造业的研究和发展（R＆D）所需的资金筹集，以及发展许多部门新的合作关系，包括公共和私营工业，大学，智囊团，和劳工领袖。

资源开放

由联邦政府资助的研究数据将通过政府的努力逐步开放，材料科学和工程各界将收益于此。在2013年2月22日的备忘录中，科学和技术政策办公室（OSTP）主任John Holdren博士向联邦机构申请超过1亿美元的研发支出，包括那些参与MGI机构，用于向公众公开联邦资助项目的研究结果。备忘录还要求研究者更好地解释和管理由联邦政府资助的科学研究产生的数据。开发数据基础设施来支持，管理，存储，访问数据的相关工作将依赖于这些部门的工作，因为他们按备忘录要求制定了方向。

其他联邦计划

在过去的几十年中，联邦政府大力投资了为设计新材料而进行的创新性性工艺和技术的实验。MGI的工作充分利用联邦过去的投资成果，包括计算能力、数据管理、和材料发现、发展和部署的集成方法。

通过国家纳米技术计划（NNI），在材料的合成与表征能力上有了长足进步，MGI建立此基础上。控制合成和表征纳米级材料的化学和结构的能力提供了基础实验技能，这些实验必须与理论、建模、和计算工具结合，从而实现MGI的愿景。此外，纳米技术知识基础设施签名倡议（NKISI）努力促进模型、模拟工具和数据库的发展，以此预测纳米材料的性能。这个签名倡议整合了MGI和NNI，促使他们彼此借鉴在开发材料产品和制造预测工具中成功和失败经验。

MGI也已协调与网络和信息技术的研究和发展计划（NITRD）的关系，NITRD是多方计划，能够确保美国在先进网络技术，计算系统，软件，和相关的信息技术中继续保持领先。NITRD大数据的高级指导组的努力确保当前所有联邦政府的大数据的研发活动，如MGI，并作整体协调。

通过NITRD，MGI将能够利用联邦投资以提高从大型和复杂的数据中提取知识和最新信息的能力。目前存在于不同实验室和公司的材料科学和工程数据量并无确切统计；一旦材料数据基础设施所设想的MGI初具规模，越来越多的新旧档案数据可以公开。数据处理能力的提高将带来以前无法预想的研究成果，并加快探索和创新的步伐。

机构间的协调

材料基因组计划小组委员会（SMGI）成立于2012年，在国家科学和技术委员会（NSTC）技术委员会（COT）的领导下，建议并协助NSTC and OSTP的政策，和科技政策办公室在MGI目标支持联邦活动相关的计划。SMGI旨在促进协调一致，使联邦机构确定有远见的政策，以支持的目标和实现削减一半的时间和新材料市场成本。

SMGI组织研讨会或其他机构的活动，向联邦政府关于先进材料的决策过程提供意见。每个参与MGI机构都代表SMGI。

总统行政办公室

总统行政办公室的代表（EOP）参与MGI活动以确保MGI实现协调和政府的优先次序一致。OSTP是主要的接触点。

科技政策办公室负责通知EOP，与科学技术有关的事项和支持跨部门的科学和技术活动的协调。这样的安排支持了了EOP和各种MGI活动。

附录C：首字母缩写和缩写

3D                三维

AIM               材料计划的加速组织

AMP               先进制造业伙伴关系

ARPA-E（DOE）     能源高级研究计划局

BES (DOE)         基础能源科学办公室

CBET（NSF ENG）       化学，生物，环境，和运输系统部门

CHE (NSF MPS)     化学部

CISE（NSF）           计算机和信息科学和工程局

CMC               陶瓷基复合材料

CMMI (NSF ENG)        土木，机械和制造创新部

CoT               技术委员会

DARPA             美国国防高级研究计划局

DOD               国防部

DOE               能源部

DMR（NSF MPS）    材料研究部门

DMREF (NSF)           设计材料革新和工程师（我们未来的计划）

DMS（NSF MPS）    数理科学部门

ECCS (NSF ENG)        通信和网络系统部

EERE (DOE)        美国能源部（DOE）能源效率和可再生能源办公室

ENG (NSF)         工程局

EOP               总统行政办公室

FE (DOE)          化石能源办公室

FEP               基础工程问题

GCDP (NASA STMD)  改变游戏规则的发展计划

ICME              集成计算材料工程

LGPS              Li10GeP2S12

ManTech (DOD)     制造技术方案（国防部）

MGI               材料基因组计划

MPS（NSF）        数学和物理科学委员会

MSMM（NASA）      材料，结构，机械系统，和制造路线图

NASA              美国国家航空航天局

NCNR              中子研究中心

NIST              美国国家标准与技术研究所

NITRD             网络和信息技术的研究和发展计划

NNI               国家纳米技术倡议国家核安全局

NNSA (DOE)        国家核安全局（DOE）

NSTC（OSTP）      国家科学和技术委员会国家科学基金

NSF               国家自然科学基金

OSTP              教育局常任秘书长预测科学与工程设计

PMC               聚合物基复合材料

R&D               研究和开发

REE               稀土元素

SBIR              小企业创新研究

SOFC              固体氧化物燃料电池

SMGI (NSTC CoT)   材料基因组计划小组委员会

STEM               科学，技术，工程，数学

STMD（NASA）       航天技术任务理事会

STTR               小企业技术转移的研究

TPS                热防护系统

   USGS               美国地质调查局

附录D：公众评论总结

从2014年6月20日到7月21日，SMGI在该计划草案公开评论期间收到36条评论。评论主要来自学术界，还有行业，科学协会，国家实验室，和其他利益相关者。共同的主题在评论中出现，包括：材料科学的研究和发展的学科和利益相关者的广度，从发现阶段到产品制造阶段；不确定性量化的重要性；可持续发展和再利用的材料；工业在MGI的作用；明确九大材料类别和应用领域中重大挑战的范围和缘由。SMGI深深感激由社会公众提供的有深度的回复和建议，有利于本文件的最终版本的改进。

材料基因组计划编辑

材料基因组计划（又名Materials Genome Initiative），简称MGI。2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布启动一项价值超过5亿美元的"先进制造业伙伴关系"(Advanced Manufacturing Partnership,AMP)计划，呼吁美国政府、高校及企业之间应加强合作，以强化美国制造业领先地位，而"材料基因组计划"(Materials Genome Initiative,MGI)作为AMP计划中的重要组成部分，投资将超过1亿美元。

"材料基因组计划"是美国经过信息技术革命后，充分认识到材料革新对技术进步和产业发展的重要作用，以及在复兴制造业的战略背景下提出来的。数据共享与计算工具开发对MGI的成功至关重要。先进材料复杂的物理与化学特性可以因不同的应用需要而相应调整，并可以在合成、生产和使用过程中改变。对这些特性的跟踪是一项非常艰巨的任务，MGI的努力还包括将术语、数据归档格式和指南报告标准化。

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