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(jì)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(guó)家材料腐蝕與防護(hù)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(dá)威教授介紹，材料基因工程是當(dāng)前材料領(lǐng)域公認(rèn)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(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)為主，又被稱為“試錯(cuò)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(jì)算、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等“數(shù)字化、智能化”的研究方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料成分、配方、制備工藝的高效篩選、精準(zhǔn)調(diào)控和優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(xiàng)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(jìn)北京材料基因工程高精尖創(chuàng)新中心，自動(dòng)化的材料研發(fā)設(shè)備有序運(yùn)轉(zhuǎn)。這里致力于打造面向前沿的共性技術(shù)平臺(tái)，并在高強(qiáng)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(hù)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(dá)威介紹，材料腐蝕過程機(jī)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(shí)間尺度等因素都要考慮在內(nèi)。科學(xué)家要在成千上萬(wàn)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(jì)算平臺(tái)，通過對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析，可以對(duì)不同種類、不同尺度的耐蝕材料進(jìn)行高效篩選和設(shè)計(jì)，極大地提升研發(fā)效率。”張達(dá)威介紹。

  完成材料篩選后，還需要針對(duì)其所處的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行服役性能測(cè)試評(píng)價(jià)。采用傳統(tǒng)的表征方法需開展成百上千次實(shí)驗(yàn)，且周期很長(zhǎng)。如今，利用人工智能技術(shù)，通過不同的腐蝕預(yù)測(cè)模型對(duì)材料性能進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)，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(qiáng)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(zhǎng)的壽命。

  “通過材料高效計(jì)算和高通量實(shí)驗(yàn)，可實(shí)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(shí)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(dá)威說。

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