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《新材料產業雜志》2014年第八期

一、納米技術知識基礎設施計劃概述

1．納米技術知識基礎設施計劃與納米信息學2012年5月，即在材料基因組計劃頒布11個月之后，美國“國家納米計劃（”NationalNanotechnologyInitiative，NNI）提出納米技術知識基礎設施計劃，以確保美國在納米領域可持續設計方面繼續保持其國際領先地位。該計劃旨在建立一個直接面向問題、面向需求的納米技術知識基礎設施，從而加快美國在納米領域技術發現與技術創新的速度。從計劃的內容與目標不難看出，此項計劃與材料基因組計劃有諸多相似相通的地方。提到納米技術知識基礎設施計劃，必須要提及納米信息學（nanoinformatics）這一重要的概念。納米信息學指的是開發和實施有效的機制以幫助相關機構對納米技術信息進行收集、驗證、儲存、分享、發掘、分析和應用，覆蓋整個納米領域，影響到研究、開發以及應用的方方面面。一個不斷完善的納米信息學基礎設施將通過不斷改善實驗數據的再現性，以及通過促進工具和模型的開發和驗證，而將數據轉換成信息加以應用，從而確保國家納米技術可持續性發展。因此，納米信息學將為納米材料和產品的合理設計，研究方向最優化和風險評估奠定堅實的基礎。從這個角度來看，納米技術知識基礎設施計劃和納米信息學的發展同時也為材料基因組計劃的實施提供了必要的補充與幫助。

2．納米技術知識基礎設施計劃的基礎與助推力（1）多元化的合作團隊建立一個由科學家，工程師和技術人員組成的多樣性的協作團隊，對于美國納米技術的研究、開發和應用至關重要，它們是美國納米技術核心競爭力的中堅力量。該團隊涉及納米技術研究、開發乃至產業化的方方面面，包括多方面的研究力量，主要有：實驗科學家、計算科學家和理論家，產業工程師，負責材料合成、測試、質量監控等的技術人員。（2）跨學科的協作網絡建立一個靈活的可以開展多學科知識協作的網絡，有效銜接基礎實驗研究、建立模型和應用開發，對于提高研發效率具有重要的作用。可靠的計算模型能夠準確地預測和設計具有理想性能的納米材料并進行風險評估和管理。此外，模型在開發新概念以及加深人們對納米級材料的性能和行為的理解方面也起著重要作用。因此，當模型和實驗結果在網絡中能夠被迅速分享時，基礎研究與應用開發就可以更加有效迅速地連接起來，從而有的放矢提高研發效率。（3）可持續的計算工具箱一套能夠促進實驗分析和理解納米材料的計算工具對于完成納米技術知識基礎設施計劃而言至關重要。計算工具能夠幫助人們發現在當前理論框架中不明顯或難以表現出來的材料的性能與現象之間的關系。因此，經過驗證、易于訪問且得到良好維護的模擬軟件將對納米材料的性能和行為做出可靠的模擬，從而有效幫助納米材料的設計與開發。（4）堅實的數據基礎納米技術知識基礎設施計劃迫切需要建立一個堅實的納米技術數據和信息基礎，將納米材料設計、合成、性能、現象以及對生物和環境的影響等方面實驗數據進行整合。開源數據與軟件、開放獲取的方式、通用的數據傳送與存檔格式、標準化的詞表等都是建立這一基礎的必要條件，對研究人員管理與儲存實驗數據具有重要的意義，同時也將極大地促進不同學科間研究人員的數據共享與彼此合作。

3．納米技術知識基礎設施計劃與材料基因組計劃相互促進、共同發展材料基因組計劃是美國眾多行業眾多機構為加速本國先進材料的發現和鞏固制造業的地位而共同做出的努力。納米技術知識基礎設施計劃與材料基因組計劃的合作涉及納米技術知識基礎設施計劃的所有方面，特別是研究方法和數據方面的建設。通過相互間合作與交流，納米技術知識基礎設施計劃與材料基因組計劃將實現互利共贏。因此，這里所介紹的納米技術知識基礎設施計劃將直接為材料基因組計劃作出貢獻。納米技術知識基礎設施計劃試圖通過模型、模擬工具和數據庫的發展，以實現對納米級尺度和亞微秒領域里各種現象的預測。相比來說，材料基因組計劃的范圍要寬得多，既包括納米級別也包括宏觀尺度的材料信息。納米技術知識基礎設施計劃的實施對材料基因組計劃來說，將是其重要和有利的補充。納米技術知識基礎設施計劃取得的重要成果，如數據格式標準化，使實驗科學家與理論家相結合以加速材料設計的方法等可適用于材料基因組計劃的其他相關領域。同樣，通過材料基因組計劃開發出的與納米材料相關的方法和標準等也可以在納米技術知識基礎設施計劃的工作中進行探索，測試和評估。通過持續的交流與合作，在這2項計劃指引下合作的各部門成果將推動整個時間與空間范圍內材料的研究與開發，以進一步提高美國在材料與制造領域甚至更廣泛領域的競爭能力。

二、啟示與建議

材料基因組計劃后，我國學術界迅速做出了反應。在中國科學院和工程院的推動下，計劃的當年，近百名材料領域的科學家會聚北京香山，召開了“材料科學系統工程”會議，并提出建設集理論計算、數據庫和測試三位一體的共用平臺、實現重點材料示范突破以及成立多方協作的指導委員會等建議。在過去的2年多里，在中國工程院、中國科學院、科技部等機構以及上海市、北京市等地方政府的努力下，我國的材料基因組計劃正在逐步落到實處，其研究理念也越來越多地被學術界所接受和采納，不同學科背景的研究人員也逐漸投身此中。十幾年前的“人類基因組計劃”，我國盡管在后期也有少量參與，但是并沒有能抓住那次重大科學計劃的先機。因此，面臨比“人類基因組計劃”更為廣泛的“材料基因組計劃”，我國政府和相關機構能夠迅速做出響應并踏實努力，確實有很大的進步且值得肯定。但在趕超的過程中，我們決不能簡單照搬國外計劃的內容與方案，而應深入消化吸收，并結合自身情況做出適合國情的選擇與決定。

1．積極鼓勵并大力發展原創的材料計算軟件美國材料科學家已經通過不斷改進計算方法，在計算預測模型上取得了不少成果，只是苦于一直沒有合適的平臺向制造業分享這些研究成果。材料基因組計劃正是為他們提供了一個向材料科學家和制造商在內的整個材料科學界共享數據和計算工具的平臺。當然在建立這個平臺的過程中，隨著交流與合作的加深，還將伴隨計算工具與方法的不斷改進與提高。而我國在材料計算軟件上的開發幾近空白，幾乎沒有自主知識產權的通用程序包。除了個別單打獨斗的研究小組，我國材料計算大都依靠外國商用軟件，在使用上有很大的局限性。因此，我國推動材料基因組計劃的發展，首先亟需解決的是形成規模化的長期穩定的開發隊伍，開發自主知識產權的各種模型、算法和大規模科學計算軟件，擺脫國外軟件的壟斷和限制，為我國新材料產業的全面發展打下堅實的基礎。

2．依托現有基礎將數據庫建設細化對材料的性能進行成功模擬和預測取決于2個基本要素，一是計算模擬方法和軟件，另一個就是材料數據庫。從材料領域的廣度和深度，不難看到建立材料數據庫將會是一項龐大的系統工程，需要政府、學術界、產業界通力合作，需要投入大量的人力物力和時間才能完成。高度規范化的系統數據庫是決定這項計劃成敗的關鍵。美國政府也并沒有從零開始建設，而是依托納米技術知識基礎設施計劃的實施或者IBM和哈佛大學這樣的機構自身的基礎進行建設。我國可考慮依托“863”“、973”、國家科技支撐項目、國家自然科學基金等現有科技計劃，對已完成項目的實驗數據進行整理歸納，在統一的加工、標引與建設規范的指導下，逐步建設完成整個材料領域的數據庫。2014年3月正式開通的“國家科技報告服務系統”，可系統查閱國家科技計劃項目所產生的科技報告，涵蓋國家科技投入產生的大量科技信息和數據。如果能夠設計合理的字段與入口，也極有可能對材料領域的數據庫的建設起到支撐與幫助作用。

3．借助其它科技計劃推進材料基因組計劃的發展材料基因組計劃面向整個材料領域乃至制造業發展的需求，涉及面之廣泛、影響之深遠遠超過一般現有的科技計劃。在我國順利實施材料基因組計劃絕非易事，單靠幾個部門、幾個地區的努力是很難完成這樣一項龐大的計劃的。美國政府推出材料基因組計劃不到一年，又借助相當成熟的國家納米技術計劃提出了與材料基因組計劃理念十分相似的納米技術知識基礎設施計劃，其用意和可預計的成效值得深思。美國國家納米技術計劃已成功運轉了十多年，圍繞此項計劃，美國眾多政府機構、科研院所乃至企業形成了非常良好的溝通與合作模式，美國納米技術也因此一直保持全球領先地位。每個財年的預算、計劃目標與分工以及成效后評估，環環相扣，堪稱科技計劃的典范。在這樣一個成熟的計劃與平臺基礎上，美國政府提出納米技術知識基礎設施計劃，旨在通過堅實的納米技術數據基礎、可靠的預測計算工具以及多元化的研究團隊與合作網絡等來確保美國在納米領域繼續保持國際領先地位，是非常有信服力和令人期待的。納米技術知識基礎設施計劃取得的成果，如納米領域的相關數據格式標準化、模型與新的模擬工具等同樣適用于材料基因組計劃的其他宏觀領域。因此，納米技術知識基礎設施計劃的順利實施對材料基因組計劃的發展將起到重要的補充與推動作用。在我國，“863”、“973”、國家科技支撐項目、國家自然科學基金等國家級科技計劃以及眾多省部級科技計劃中，都設有材料相關的發展計劃與專項，也成功運作了許多年并取得了顯著的成效。可以考慮將材料基因組計劃的目標與內容依據這些已有的科技計劃進行分解，在不同細分領域借助其他科技計劃來促進材料基因組計劃的實施與發展。此外，如何有效地整合現有實驗與測試資源，集中優勢力量，避免浪費也是我國推進材料基因組計劃發展過程中一個亟待解決的重要問題。總之，面對這一系列極有可能改變未來產業競爭格局的發展規劃時，我們不僅要迎頭趕上抓住發展的機遇，更重要的是抓住計劃的精髓，結合自身情況提出合理有據的發展目標與切實可行的行動方案，以全面提升我國在材料乃至制造領域的競爭能力。

作者：鄭佳單位：中國科學技術信息研究所