材料基因工程加速新材料研發(fā)

  近年來，信息技術(shù)與新材料深度融合，以材料基因工程為代表的材料設(shè)計新方法的出現(xiàn)，大幅縮減了新材料的研發(fā)周期和研發(fā)成本，加速了新材料的創(chuàng)新過程。

  北京科技大學(xué)國家材料腐蝕與防護科學(xué)數(shù)據(jù)中心、北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心張達威教授介紹，材料基因工程是當(dāng)前材料領(lǐng)域公認的開發(fā)新材料的顛覆性前沿技術(shù)。傳統(tǒng)的材料研發(fā)模式以實驗和經(jīng)驗為主，又被稱為“試錯式”研究方法，這種研發(fā)模式效率低、成本高。借鑒生物學(xué)基因工程，材料基因工程利用材料高效計算、先進實驗和大數(shù)據(jù)技術(shù)等“數(shù)字化、智能化”的研究方法，實現(xiàn)對材料成分、配方、制備工藝的高效篩選、精準調(diào)控和優(yōu)化設(shè)計，從而快速得到滿足特定性能需求的新材料。這意味著材料基因工程是一項十分交叉的工作，是信息技術(shù)和材料的跨學(xué)科融合，需要多方共同合作。

  走進北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心，自動化的材料研發(fā)設(shè)備有序運轉(zhuǎn)。這里致力于打造面向前沿的共性技術(shù)平臺，并在高強韌高耐蝕金屬結(jié)構(gòu)材料、高效能源催化材料、可降解醫(yī)用金屬材料、智能防護涂層材料等幾類關(guān)鍵材料上開展示范應(yīng)用。

  以耐蝕材料研發(fā)為例，張達威介紹，材料腐蝕過程機理十分復(fù)雜，溫度、濕度、應(yīng)力等環(huán)境因素，成分、加工、結(jié)構(gòu)等材料因素以及時間尺度等因素都要考慮在內(nèi)�？茖W(xué)家要在成千上萬種組合中篩選出最合適的材料配方和工藝，難度很大。

  “這就需要借助算力，我們聯(lián)合IT企業(yè)共同建設(shè)計算平臺，通過對海量數(shù)據(jù)的分析，可以對不同種類、不同尺度的耐蝕材料進行高效篩選和設(shè)計，極大地提升研發(fā)效率。”張達威介紹。

  完成材料篩選后，還需要針對其所處的應(yīng)用環(huán)境進行服役性能測試評價。采用傳統(tǒng)的表征方法需開展成百上千次實驗，且周期很長。如今，利用人工智能技術(shù)，通過不同的腐蝕預(yù)測模型對材料性能進行仿真預(yù)測，可以快速得到材料在不同環(huán)境下的服役效果，如篩選出在高溫、高濕、強輻照甚至微生物滋生的環(huán)境下，哪些材料具有更好的耐蝕性和更長的壽命。

  “通過材料高效計算和高通量實驗，可實現(xiàn)新材料的快速篩選和材料數(shù)據(jù)的快速積累；通過大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的應(yīng)用，可實現(xiàn)材料成分和工藝的全局優(yōu)化以及材料性能的提升。”張達威說。

  物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、高性能計算等技術(shù)的飛速發(fā)展，以及新型感知技術(shù)和自動化技術(shù)的應(yīng)用，推動新材料產(chǎn)業(yè)研發(fā)進程不斷加快。“科研人員可以從繁瑣的實驗試錯中解脫出來，讓實驗觀察變成無人實驗、仿真模擬變成現(xiàn)象生成，讓‘算’出新材料成為可能。”張達威說。■