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1、陆文聪上海大学理学院,材料基因工程,1 材料设计的概念,所谓的“材料设计”，是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来“定做”具有特定性能的新材料。,材料设计的层次,微观设计层次：空间尺度约在l nm量级，是原子、电子层次的设计；连续模型层次：典型尺度约在1m量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；工程设计层次：尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。,材料设计核心问题,材料是按照何种原子或配方、何种方式堆积或搭配，通过何种工艺制备，才具有何种特定的物理和化学性质，即材料结构（或配方、工艺）与性质（性能）的关系问题。,材料设
2、计的发展方向,将材料科学与物理、化学基本原理（包括量子化学）与数据挖掘等方法相结合，对材料设计的相关数据进行计算、分析和加工处理，建立辅助新材料、新物质研制的专家系统（包括知识库、材料设计、工艺寻优、成本控制和服役行为优化等），正在成为新材料设计的主流发展方向。,计算机辅助材料设计的三个层次,1)材料的微观结构与性能的关系，从量子化学、固体物理、结构化学等角度探索研制新材料、新物质的新思想和新概念；,计算机辅助材料设计的三个层次,2)从相图、热力学和动力学性质出发，探索新型合金、氧化物、熔盐等新材料及其制备方法的革新；,计算机辅助材料设计的三个层次,3)运用模式识别、人工神经网络、支持向量机等
3、数据挖掘方法，结合数据库和知识库，总结材料结构与性能（性质）的关系、配方及工艺条件与材料性能或生产技术指标（成品率、能耗等）的关系等规律，用于材料制备和加工的优化。,9,传统的材料研究方法,工艺寻优,成本控制,材料制备,性能表征,服役行为,新材料探索,系统集成,性能优化,经验积累,循环试错,以大量的材料制备为中心，强调经验积累；被动的性能表征；经验与不断的循环试错而提高性能：实验寻优。,10,2011年6月24日，奥巴马宣布“先进制造业伙伴关系”计划（AMP计划）(超5亿美元)，以期通过政府、高校及企业的合作来强化美国制造业。材料基因组计划是AMP的核心内容。目标是帮助美国企业发现、开发、生产
4、和应用先进材料的速度提高到目前的两倍，从而促进美国制造业的复兴，保持美国的全球竞争力。,材料基因组计划,11,通过高通量的第一性原理计算，结合已知的可靠实验数据，用理论模拟去尝试尽可能多的真实或未知材料，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，拓宽材料筛选范围，集中筛选目标，减少筛选尝试次数，预知材料各项性能，缩短性质优化和测试周期，从而加速材料研究的创新。,“材料基因组工程”内涵阐释,12,集中国内材料计算与模拟领域优势力量，通力合作，努力实现如下关键目标跟上并引领国际材料领域新一轮发展的浪
5、潮。开发高通量的第一性原理计算程序包；建立“材料科学系统工程”数据库，搜索引擎和分析软件；建立极材料设计、合成、快速表征、测试、改进等物性平台；与企业界建立合作互动。,香山会议建议,13,中科院材料基地“十二五”重点培育方向：集成计算材料工程（ICME）,Integrated Computational Materials Engineering,ICME是一门新兴的学科，集材料知识库、设计与计算、制备工艺寻优、生产成本控制以及服役行为评价等多种计算环节于一体，其目的是集成材料计算科学的工具，使其成为一个集成系统，以加速材料发现到应用的研发速度。,ICME的主要思路,构建“集成计算材料工程”研究平台，形成完整研究链，实现从“实验寻优”向“系统寻优”转变。,尺 度,问 题,ICME的考虑思路,Initiative overview,
