MGI和NKI的相通性及启示范文

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《新材料产业杂志》2014年第八期

一、纳米技术知识基础设施计划概述

1．纳米技术知识基础设施计划与纳米信息学2012年5月，即在材料基因组计划颁布11个月之后，美国“国家纳米计划（”NationalNanotechnologyInitiative，NNI）提出纳米技术知识基础设施计划，以确保美国在纳米领域可持续设计方面继续保持其国际领先地位。该计划旨在建立一个直接面向问题、面向需求的纳米技术知识基础设施，从而加快美国在纳米领域技术发现与技术创新的速度。从计划的内容与目标不难看出，此项计划与材料基因组计划有诸多相似相通的地方。提到纳米技术知识基础设施计划，必须要提及纳米信息学（nanoinformatics）这一重要的概念。纳米信息学指的是开发和实施有效的机制以帮助相关机构对纳米技术信息进行收集、验证、储存、分享、发掘、分析和应用，覆盖整个纳米领域，影响到研究、开发以及应用的方方面面。一个不断完善的纳米信息学基础设施将通过不断改善实验数据的再现性，以及通过促进工具和模型的开发和验证，而将数据转换成信息加以应用，从而确保国家纳米技术可持续性发展。因此，纳米信息学将为纳米材料和产品的合理设计，研究方向最优化和风险评估奠定坚实的基础。从这个角度来看，纳米技术知识基础设施计划和纳米信息学的发展同时也为材料基因组计划的实施提供了必要的补充与帮助。

2．纳米技术知识基础设施计划的基础与助推力（1）多元化的合作团队建立一个由科学家，工程师和技术人员组成的多样性的协作团队，对于美国纳米技术的研究、开发和应用至关重要，它们是美国纳米技术核心竞争力的中坚力量。该团队涉及纳米技术研究、开发乃至产业化的方方面面，包括多方面的研究力量，主要有：实验科学家、计算科学家和理论家，产业工程师，负责材料合成、测试、质量监控等的技术人员。（2）跨学科的协作网络建立一个灵活的可以开展多学科知识协作的网络，有效衔接基础实验研究、建立模型和应用开发，对于提高研发效率具有重要的作用。可靠的计算模型能够准确地预测和设计具有理想性能的纳米材料并进行风险评估和管理。此外，模型在开发新概念以及加深人们对纳米级材料的性能和行为的理解方面也起着重要作用。因此，当模型和实验结果在网络中能够被迅速分享时，基础研究与应用开发就可以更加有效迅速地连接起来，从而有的放矢提高研发效率。（3）可持续的计算工具箱一套能够促进实验分析和理解纳米材料的计算工具对于完成纳米技术知识基础设施计划而言至关重要。计算工具能够帮助人们发现在当前理论框架中不明显或难以表现出来的材料的性能与现象之间的关系。因此，经过验证、易于访问且得到良好维护的模拟软件将对纳米材料的性能和行为做出可靠的模拟，从而有效帮助纳米材料的设计与开发。（4）坚实的数据基础纳米技术知识基础设施计划迫切需要建立一个坚实的纳米技术数据和信息基础，将纳米材料设计、合成、性能、现象以及对生物和环境的影响等方面实验数据进行整合。开源数据与软件、开放获取的方式、通用的数据传送与存档格式、标准化的词表等都是建立这一基础的必要条件，对研究人员管理与储存实验数据具有重要的意义，同时也将极大地促进不同学科间研究人员的数据共享与彼此合作。

3．纳米技术知识基础设施计划与材料基因组计划相互促进、共同发展材料基因组计划是美国众多行业众多机构为加速本国先进材料的发现和巩固制造业的地位而共同做出的努力。纳米技术知识基础设施计划与材料基因组计划的合作涉及纳米技术知识基础设施计划的所有方面，特别是研究方法和数据方面的建设。通过相互间合作与交流，纳米技术知识基础设施计划与材料基因组计划将实现互利共赢。因此，这里所介绍的纳米技术知识基础设施计划将直接为材料基因组计划作出贡献。纳米技术知识基础设施计划试图通过模型、模拟工具和数据库的发展，以实现对纳米级尺度和亚微秒领域里各种现象的预测。相比来说，材料基因组计划的范围要宽得多，既包括纳米级别也包括宏观尺度的材料信息。纳米技术知识基础设施计划的实施对材料基因组计划来说，将是其重要和有利的补充。纳米技术知识基础设施计划取得的重要成果，如数据格式标准化，使实验科学家与理论家相结合以加速材料设计的方法等可适用于材料基因组计划的其他相关领域。同样，通过材料基因组计划开发出的与纳米材料相关的方法和标准等也可以在纳米技术知识基础设施计划的工作中进行探索，测试和评估。通过持续的交流与合作，在这2项计划指引下合作的各部门成果将推动整个时间与空间范围内材料的研究与开发，以进一步提高美国在材料与制造领域甚至更广泛领域的竞争能力。

二、启示与建议

材料基因组计划后，我国学术界迅速做出了反应。在中国科学院和工程院的推动下，计划的当年，近百名材料领域的科学家会聚北京香山，召开了“材料科学系统工程”会议，并提出建设集理论计算、数据库和测试三位一体的共用平台、实现重点材料示范突破以及成立多方协作的指导委员会等建议。在过去的2年多里，在中国工程院、中国科学院、科技部等机构以及上海市、北京市等地方政府的努力下，我国的材料基因组计划正在逐步落到实处，其研究理念也越来越多地被学术界所接受和采纳，不同学科背景的研究人员也逐渐投身此中。十几年前的“人类基因组计划”，我国尽管在后期也有少量参与，但是并没有能抓住那次重大科学计划的先机。因此，面临比“人类基因组计划”更为广泛的“材料基因组计划”，我国政府和相关机构能够迅速做出响应并踏实努力，确实有很大的进步且值得肯定。但在赶超的过程中，我们决不能简单照搬国外计划的内容与方案，而应深入消化吸收，并结合自身情况做出适合国情的选择与决定。

1．积极鼓励并大力发展原创的材料计算软件美国材料科学家已经通过不断改进计算方法，在计算预测模型上取得了不少成果，只是苦于一直没有合适的平台向制造业分享这些研究成果。材料基因组计划正是为他们提供了一个向材料科学家和制造商在内的整个材料科学界共享数据和计算工具的平台。当然在建立这个平台的过程中，随着交流与合作的加深，还将伴随计算工具与方法的不断改进与提高。而我国在材料计算软件上的开发几近空白，几乎没有自主知识产权的通用程序包。除了个别单打独斗的研究小组，我国材料计算大都依靠外国商用软件，在使用上有很大的局限性。因此，我国推动材料基因组计划的发展，首先亟需解决的是形成规模化的长期稳定的开发队伍，开发自主知识产权的各种模型、算法和大规模科学计算软件，摆脱国外软件的垄断和限制，为我国新材料产业的全面发展打下坚实的基础。

2．依托现有基础将数据库建设细化对材料的性能进行成功模拟和预测取决于2个基本要素，一是计算模拟方法和软件，另一个就是材料数据库。从材料领域的广度和深度，不难看到建立材料数据库将会是一项庞大的系统工程，需要政府、学术界、产业界通力合作，需要投入大量的人力物力和时间才能完成。高度规范化的系统数据库是决定这项计划成败的关键。美国政府也并没有从零开始建设，而是依托纳米技术知识基础设施计划的实施或者IBM和哈佛大学这样的机构自身的基础进行建设。我国可考虑依托“863”“、973”、国家科技支撑项目、国家自然科学基金等现有科技计划，对已完成项目的实验数据进行整理归纳，在统一的加工、标引与建设规范的指导下，逐步建设完成整个材料领域的数据库。2014年3月正式开通的“国家科技报告服务系统”，可系统查阅国家科技计划项目所产生的科技报告，涵盖国家科技投入产生的大量科技信息和数据。如果能够设计合理的字段与入口，也极有可能对材料领域的数据库的建设起到支撑与帮助作用。

3．借助其它科技计划推进材料基因组计划的发展材料基因组计划面向整个材料领域乃至制造业发展的需求，涉及面之广泛、影响之深远远超过一般现有的科技计划。在我国顺利实施材料基因组计划绝非易事，单靠几个部门、几个地区的努力是很难完成这样一项庞大的计划的。美国政府推出材料基因组计划不到一年，又借助相当成熟的国家纳米技术计划提出了与材料基因组计划理念十分相似的纳米技术知识基础设施计划，其用意和可预计的成效值得深思。美国国家纳米技术计划已成功运转了十多年，围绕此项计划，美国众多政府机构、科研院所乃至企业形成了非常良好的沟通与合作模式，美国纳米技术也因此一直保持全球领先地位。每个财年的预算、计划目标与分工以及成效后评估，环环相扣，堪称科技计划的典范。在这样一个成熟的计划与平台基础上，美国政府提出纳米技术知识基础设施计划，旨在通过坚实的纳米技术数据基础、可靠的预测计算工具以及多元化的研究团队与合作网络等来确保美国在纳米领域继续保持国际领先地位，是非常有信服力和令人期待的。纳米技术知识基础设施计划取得的成果，如纳米领域的相关数据格式标准化、模型与新的模拟工具等同样适用于材料基因组计划的其他宏观领域。因此，纳米技术知识基础设施计划的顺利实施对材料基因组计划的发展将起到重要的补充与推动作用。在我国，“863”、“973”、国家科技支撑项目、国家自然科学基金等国家级科技计划以及众多省部级科技计划中，都设有材料相关的发展计划与专项，也成功运作了许多年并取得了显著的成效。可以考虑将材料基因组计划的目标与内容依据这些已有的科技计划进行分解，在不同细分领域借助其他科技计划来促进材料基因组计划的实施与发展。此外，如何有效地整合现有实验与测试资源，集中优势力量，避免浪费也是我国推进材料基因组计划发展过程中一个亟待解决的重要问题。总之，面对这一系列极有可能改变未来产业竞争格局的发展规划时，我们不仅要迎头赶上抓住发展的机遇，更重要的是抓住计划的精髓，结合自身情况提出合理有据的发展目标与切实可行的行动方案，以全面提升我国在材料乃至制造领域的竞争能力。

作者：郑佳单位：中国科学技术信息研究所