材料基因组计划中的新材料表征技术实验平台

                           王海舟

                        钢铁研究总院

（一）材料基因组计划

传统的材料研发方法，可归纳为“试错法”。一种新材料研发时间平均需要5-12年，显然无法跟上当代高科技产品的发展和更新的速度。

新材料技术体现一个国家高科技发展水平，已成为国家战略的一部分。美国国家科技顾问委员会和总统科技政策办公室在2011年6月底启动了名为“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative）的国家科学计划，旨在加速新材料研发与应用的进程，强化美国在新材料技术和高科技领域的绝对领先地位。通过高性能材料计算能力、高通量材料试验平台和材料数据三大平台的建立与协同，力争达到将新材料研发周期缩短一半的目标。

所谓材料基因组可以理解为反映材料某种特性的“基本单元”及其“组装”。基本单元是指能直接反映材料性能差异的最小物质单元，不同材料基本单元是非唯一的，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。而组装是指将这些相同或不同的基本单元以某种工艺或技术结合，形成大尺寸材料。由于不同材料及工艺的复杂和多样性，其基本单元及其组装方式也具有多样性的特点。

（二）新材料表征实验平台在材料基因组计划中的作用及研究方向

新材料的研究者基于庞大的数据库，通过各种数学模型的计算模拟，提出实现预期特性的一系列可能的“基本单元”及其“组装”方式，期望通过反复实验验证筛查出若干符合相关要求的基本单元，并对组装形成的材料的组成、组织结构和性能进行表征。“新材料高通量合成与表征”是三大平台中的实验技术平台。美国《“材料基因组计划”白皮书》将高通量试验方法列为计划中的重要一环。

1、 新材料基本单元的高通量合成、表征与筛查功能和相关技术研究

（1） 基本单元试验模拟合成与相关技术研究

根据已有数据库和计算模型预测提出一系列可能具有相关目标性能材料的特定基本单元，需要高通量实验技术反复验证，最终从预测的基本单元中筛查出最接近所要求性能的“目标基本单元”，为此，需研究与拟采用的筛查技术密切相关的基本单元的试样（可以包含一个基本单元，或基本单元组的组合芯片技术）“合成”技术，其技术与方式具有多样性。。

（2） 基本单元特性高通量表征筛查功能与技术研究

针对所合成的含基本单元的试样（组合芯片），应对其特性（如组成、微观结构、力学、光学、热学、电磁学等）开展高通量实验表征，以系统筛查出若干符合材料相关特性要求的目标基本单元。针对不同类型新材料特性需求，高通量实验表征仪器技术和方法是其研究的重点。

2、 基本单元组装材料过程和新材料高通量表征功能与技术研究

（1） 组装过程原位表征技术与仪器研究

应研究材料合成制备过程中的原位、实时表征技术与仪器，揭示材料制备过程的多种参数及各类工艺条件对材料组成、结构、性能的影响，为构建多维度的新材料构成提供相关参数轴（如时间轴、温度轴等），跟踪组装过程中基本单元的组装方式、取向、变异、统计分布等变化规律，实现组装过程原位表征。

（2） 组装材料大尺度统计分布高通量表征技术与仪器研究

应研究新材料微观、介观、常规试样尺寸以及实际工件尺寸的大尺度范围高通量二维及三维原位统计分布分析技术和仪器，探索大尺度范围内基本单元的组装方式、取向、变异、统计分布等定量规律，实现新材料组分-组织结构-性能相关性高通量表征。最终评价所获得新材料与实际预测目标性能的一致性。