香山科學(xué)會議：中國“材料基因”亟待算法創(chuàng)新
2011-12-29 來源：中國聚合物網(wǎng)
在美國最新發(fā)布的“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”計劃中，“材料基因”概念的身影有所顯現(xiàn)，而美國的“材料基因組計劃”（MGI）也受到了中國學(xué)者的廣泛關(guān)注。
在近日舉行的第S14次香山科學(xué)會議上，學(xué)者們提出，要發(fā)展中國的材料基因組工程，當(dāng)務(wù)之急是解決算法和程序包的原創(chuàng)問題。
預(yù)測先進(jìn)材料靠計算
材料領(lǐng)域當(dāng)前的發(fā)展，要經(jīng)歷新材料發(fā)現(xiàn)、開發(fā)、性能優(yōu)化、產(chǎn)品設(shè)計整合、測試認(rèn)證、生產(chǎn)銷售和回收利用等步驟，平均時間跨度長達(dá)18年。對此，中國工程院院士陳立泉評價：“這是‘直線型’的發(fā)展模式。”
MGI設(shè)想，根據(jù)量子力學(xué)基本原理，從原子尺度出發(fā)，直接面向最終的應(yīng)用需求。在陳立泉看來，從速度上而言，MGI能加速材料走向市場的步伐。同時，它能包含幾乎所有可能的化合物及其物理性質(zhì)。
而從新型材料的搜索、設(shè)計到相圖構(gòu)建和性質(zhì)優(yōu)化的過程，需要計算機(jī)技術(shù)寸步不離的陪伴。
其實，繁雜的預(yù)測工作以簡單的“能量最小原理”為科學(xué)依據(jù)，試圖在錯綜復(fù)雜的勢能面上找到全局能量的最小點。
“看上去似乎我們只要遍歷所有可能的結(jié)構(gòu)，便能夠完成工作。”吉林大學(xué)原子與分子物理研究所教授馬琰銘解釋，“但實際上，這是一項龐大的工程。”假如預(yù)測包含僅僅20個原子的材料，所有可能結(jié)構(gòu)則高達(dá)10的25次方個。
因此，找到先進(jìn)的計算方法能提高預(yù)測工作的效率。在前人工作基礎(chǔ)上，馬琰銘提出了卡里普索晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測理論技術(shù)，并開發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測程序。
“利用該方法，確定材料的晶體結(jié)構(gòu)只需要輸入材料的化學(xué)組分和外界條件。”他介紹。
“游擊小組”難解當(dāng)務(wù)之急
過去20年里，盡管美國材料科學(xué)家已通過不斷改進(jìn)計算方法，獲得預(yù)測模型上的不小成功。但一直以來，卻并沒有合適的平臺向制造業(yè)分享這些研究成果。
MGI正是在這樣的背景下提出的，其旨在鼓勵包括材料科學(xué)家和制造商在內(nèi)的整個材料科學(xué)界共享數(shù)據(jù)和計算工具。
在中國，MGI的開展首先面臨的是算法創(chuàng)新不足的問題。2009年世界技術(shù)評估中心的一份報告指出，算法創(chuàng)新使得美國和歐洲走在了材料仿真領(lǐng)域的前列，日本也取得了一定的進(jìn)展，中國到目前為止開展的工作較少。
中科院物理所研究員方忠認(rèn)為：“我國在材料領(lǐng)域的算法和程序開發(fā)長期處在個別小組單干的‘游擊’狀態(tài)，沒有長期穩(wěn)定的研究隊伍，也幾乎沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的通用程序包。”
材料領(lǐng)域算法和程序研究是一項應(yīng)用研究，需要人才精通物理、計算機(jī)和數(shù)學(xué)，但現(xiàn)有以發(fā)表論文為標(biāo)準(zhǔn)的科研評價體系，無法滿足這類研究人員的生存需要。
因此，方忠建議，通過中國“材料基因組計劃”，為科研人員提供相對長期穩(wěn)定的工作平臺。“在此基礎(chǔ)上，我們才能從材料領(lǐng)域中的實際問題出發(fā)，從頭開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的程序包。”他說。
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