材料基因工程典型材料有哪些應用？

概述

為了加速美國新材料的發展，提升美國制造業的競爭力，2011 年 6 月，美國總

統奧巴馬宣布了材料基因組計劃（MGI），主要目的是將先進材料的發現、開發、制造和

使用的速度提高一倍，研發成本降低一半。

材料基因工程的主要任務是構建高通量計算、高通量制備與表征和數據庫等三

大平臺。研發多尺度集成化高通量計算方法與計算軟件、高通量材料制備技術、高通量

表征與服役行為評價技術，以及面向材料基因工程的材料大數據技術等四大關鍵技術，

形成材料創新發展的技術基礎，實現新材料的研發由 “ 試錯法 ” 向 “ 理論預測 / 實驗驗證 ”

模式的轉變，從而降低新材料研發成本、縮短研發周期。通過材料基因工程關鍵技術在

能源材料、生物醫用材料、稀土功能材料、催化材料以及特種合金等支撐制造業和

高新技術發展的典型材料上的驗證性示范應用，加速材料的研發和應用，推動材料基因

工程關鍵技術的發展。

材料基因工程典型材料有哪些應用？

在過去五年中，美國能源部（DOE）、國防部（DOD）、國家科學基金會（NSF）、

國家標準與技術研究所（NIST）以及美國宇航局（NASA）在內的聯邦機構，已經在資源

和基礎設施方面大力投入支持該項計劃。美國在典型材料重點示范應用領域已取得了一

系列的成果。

航空航天高性能材料領域示范應用

美國國防部 kong jun 研究實驗室、通用電氣航空集團以及洛克希德馬丁公司（Lockheed

Martin）合作，通過將過程模擬與機械分析相結合，以更低的成本、更短的周期設計出新

型飛機部件。

美國國防部 kong jun 研究實驗室的科研人員成功研發了一種自動化系統，可以實現材料

創建、測試材料屬性、結果評估以及執行下一個*實驗等功能。利用這種自動化系統

可以顯著加快研發速度，從而了解如何更好地生產應用于飛機領域的碳納米管等高性能

材料。

能源材料領域示范應用

美國國防部 lu jun 研究實驗室通過廣泛與學術以及工業領域的研究人員合作，建立了

“ 材料多尺度研究企業 ”，重點開發新材料以滿足未來*的需求。其中，猶他大學領導

的 “ 電子材料多尺度建模 ” 重點專注于電池與電子領域的研究應用。

美國可再生能源實驗室領導的能源前沿研究中心通過 “ 下一代設計材料 ” 計劃，來識

別和測試環境友好的鈣鈦礦太陽能材料替代品。通過與麻省理工學院能源前沿研究中心

合作成功對六種候選材料進行了表征，其中兩種新材料表現出了優良的屬性。

美國能源部通過資助加州大學伯克利分校，建立了 “ 材料項目 ”。該項目主要包括通

過高性能計算和先進理論工具來確定新材料，以及預測新材料的屬性，zui終建立了一個

開放數據庫。研發人員可以充分利用數據庫信息，設計應用于清潔能源領域的新材料。

復合材料領域示范應用

美國橡樹嶺國家實驗室通過建立“制造示范工廠”，將模擬、材料表征以及原位過

程監控緊密結合在一起。該示范工廠將有利于推動低成本碳纖維復合材料在汽車領域的

商業應用。

醫用材料領域示范應用

國家標準與技術研究所、西北大學、芝加哥大學以及阿貢國家實驗室合作，共同建

立了“分層材料設計中心”。研發人員開發了材料創新基礎設施中的關鍵組件，實現航

空航天、電子和醫療保健等領域新材料的設計制造。

功能材料領域示范應用

在美國國家科學基金會以及能源部的資助下，威斯康星大學麥迪遜分校的研發人員，

利用實驗與計算方法，成功設計出兼具金屬鍵和極性鍵兩種特性的多功能材料。此種新

材料在未來設備中，可以充分發揮電性、磁性以及光學功能。

稀土材料領域示范應用

美國能源部關鍵材料研究所依靠材料基因組的方法加速發現、開發稀土替代品（高

效照明的新型磷光體）。

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