材料芯片与材料基因组.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑材料芯片与材料基因组 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 课程论文 《材料芯片与基因组》 论文题目： 第一章 材料基因组筹划 1.1 提出背景 金融危机之后，美国政府意识到仅靠服务业已无法支撑美国经济走出泥潭，务必重振制造业美国制造业的振兴不是传统制造业的复兴，而是新兴制造业的培育，其中建立在材料科学根基上的新材料产业是重点之一 美国科学院和工程院共同设置的国家研究理事会在2022年发表了题为《集成计算材料工程》的报告报告明确指出了传统材料设计的方法和系统面临的问题： ① 现代的计算工具已经从根本上大大缩短了新产品设计的时间，材料设计 却没有好像的稳当而普适的计算工具，使材料设计主要靠试验，从而导致材料设计远远落后于新产品设计； ② 太长的材料设计周期和低告成率使得新材料在新产品中的使用越来越少， 从而导致非最正确的材料被用在产品中； ③ 用于产品的材料性能欠佳而成为制约产品性能设计的瓶颈，造成恶性循 环。

应对美国提出的材料基因组研究筹划，对我国如何规划、开展实施自己的科学筹划提出建议并举行深入的研讨，在中国科学院和中国工程院的推动下，于2022年12月21—23日在北京召开了S14次香山科学会议在此前召开的由两院片面院士加入的筹备会上，大家认为：“材料科学研究成分—布局—性能之间的关系，从新材料的察觉、合成、性能优化、制备、应用、回收再利用，既有根基科学，又有工程科学，是一个系统工程因此，一致同意把那次会议定名为“材料科学系统工程”香山科学会议 结合我国的国情，材料界的专家学者提出创办进展符合中国材料领域的“材 料科学系统工程”，概括包含如下建议： 1）共用平台协同创办建立几个集理论计算平台、数据库平台和测试平台“三位一体”的“材料科学系统工程中心”，结合国家大科学工程设施，集中国内材料计算与模拟领域优势气力，通力合作，跟上并引领国际材料领域新一轮进展的浪潮 2）重点材料示范突破选择几项国家急需的、战略需要的、国内有良好根基的布局材料和功能材料作为示范突破，通过与平台创办相结合，举行演示示范，为更大范围的推广积累阅历 3）产业链条协同创新成立一个包括政府机构、科学家和产业代表在内的指导协调委员会，全面协调从材料根基研究、软件开发、数据库建立、测试平台直至产业化的各项工作，以充分发挥我国社会主义制度在统筹科学研究和产业化革命的优越性；建议有条件的教导机构开设相关课程。

1.2 基因组筹划 1.2.1根本内容 从宏观上讲，所谓材料基因组可以理解为反映材料某种特性的“根本单元”及其“组装”根本单元是指能直接反映材料性能差异的最小物质单元，不同材料根本单元是非唯一的，可以是组成物质的任何自然存在的原子、分子、电子、离子、单一相等物质粒子，也可以是这些物质组合而形成的团簇、单元或组合相而组装是指将这些一致或不同的根本单元以某种工艺或技术结合，形成大尺寸材料 美国“材料基因组筹划”试图创造一个材料创新框架，以期抓住材料进展中的机遇，重点包括以下3方面的内容：计算工具平台、测验工具平台和数字化数据(数据库及信息学)平台如图1所示： 图1材料创新框架 材料基因组技术包括高通量材料计算模拟、高通量材料测验和材料数据库三大组成要素；其中材料计算模拟是实现“材料按需设计”的根基，可以扶助缩小高通量材料测验范围，供给测验理论依据；高通量材料测验起着承上启下的角色，既可以为材料模拟计算供给海量的根基数据和测验验证，也可以充实材料数据库，并为材料信息学供给分析素材，同时还可以针对概括应用需求，直接快速筛选目标材料；材料数据库可以为材料计算模拟供给计算根基数据，为高通量材料测验供给测验设计的依据，同时计算和测验所得的材料数据亦可以丰富材料数据库的创办。

1.2.2 高通量材料计算模拟 材料基因组技术中所指的高通量计算，是指利用超级计算平台与多尺度集成化、高通量并发式材料计算方法和软件相结合，实现大体系材料模拟、快速计算、材料性质的精确预料和新材料的设计，提高新材料筛选效率和设计水平，为新材料的研发供给理论依据其中并发式材料计算方法包括第一原理计算方法、计算热力学方法、动力学过程算法等，跨越原子模型、简约模型和工程模型等多个层次，并整合了从原子尺度至宏观尺度等多尺度的关联算法 1.2.3 高通量测验 “材料高通量测验”是在短时间内完成大量样品的制备与表征其核心思想是将传统材料研究中采用的依次迭代方法改为并行处理，以量变引起材料研究效率的质变 作为“材料基因组技术”三大要素之一，它需要与“材料计算模拟”和“材料信息学/数据库”有机融合、协同进展、彼此补充，方可更充分发挥其加速材料研发与应用的效能，最终使材料科学走向“按需设计”的终极目标当前，即使在材料计算模拟技术领先的欧美国家，由于受到目前计算才能、理论模型和根基数据的限制，绝大多数材料计算结果的切实性还远不能达成测验结果水平，难以得志实用要求因此，在由传统阅历方法向新型预料方法的过渡中，高通量测验扮演着承上启下的关键角色。

首先，高通量测验可为材料模拟计算供给海量的根基数据 ，使材料数据库得到充实；同时，高通量测验可为材料模拟计算的结果供给测验验证，使计算模型得到优化、修正；更为重要的是，高通量测验可快速地供给有价值的研究成果，直接加速材料的筛选和优化随着中国材料科技的快速进展和材料基因组方法在研发中不断被广泛采用，高通量测验的重要性将日益彰显 1.2.3.1 高通量测验制备技术 高通量测验中组合材料样品的制备一般分为“组合”与“成相”2个步骤：1）将多个元素系统性地举行混合，以获得所需的材料成分“组合”； 2）通过分散或者热力学过程形成晶相或非晶相材料，即“成相”组合材料样品的制备方法种类繁多，可根据不同应用领域的要求生动选用包括:基于薄膜沉积工艺的高通量组合制备技术（基于薄膜形态的组合材料芯片是目前进展最为成熟的高通量材料制备技术 1.2.3.2 材料高通量表征工具： 高通量微区成分、布局表征：同步辐射光源在从红外至硬X射线全光谱范围内均能实现高亮度微聚焦，同时还具有高准直性、全光谱、高偏振、高纯真等优秀特性，从而能够很好地得志高通量组合材料样品所需的亮度和空间辨识率要求，因此是梦想的高通量组合材料表征测试手段。

高通量微区光学性质表征：现有的连续光谱椭偏仪商业产品可供给10μm的空间辨识率和对比广的光谱范围，可用于高通量微区光学性质的表征除连续光谱椭偏仪外，激光椭偏仪、阴极荧光计、光致荧光测试仪均可实现高通量微区光学性质表征 高通量微区电磁学性能表征：衰逝微波探针显微镜的微区辨识率是普遍的电磁仪表难以实现的，配以自动化的样品台操纵和数据采集，可以实现组合材料芯片的高通量、全自动电磁学特性测量 高通量微区热力学性能表征：利用飞秒脉冲激光技术举行时间域热反射成相，可以达成1μm的空间辨识率和10000点/h的测试速率，广泛适用于薄膜及体材热力学参数的微区表征，包括导热系数、热膨胀系数、熔点、热力学参数（Cp、H，等）、热电参数等 高通量微区电化学性能表征：美国PrincetonAppliedResearch，AMETEK,Inc.开发的VersaSCAN微区电化学扫描系统是以电化学过程和材料电化学特性为基 — 7 —。