2024年11月，美国材料基因组计划（MGI）发布了第一轮挑战项目[1]。考虑到先进材料对医疗保健、通信、能源、交通和国防等领域的重要性，MGI希望通过挑战项目，扩展和集成自主实验、人工智能和机器人等能力，帮助和促进材料创新基础设施的采用，加快新材料的设计和使用，以提高美国的经济竞争力，确保国家安全。

一、材料创新基础设施

2021年11月，美国国家科学技术委员会（NSTC）发布了2021版《材料基因组计划战略规划》，确立了未来5年材料基因组计划的三大战略目标：统一材料创新基础设施，利用材料数据的力量，教育、培训和连接材料研发人员。其中，材料创新基础设施是一套跨学科工具和功能，用于支持MGI材料方法，包括计算（理论、建模和仿真）工具、实验（合成、表征和加工）工具、综合研究平台和数据基础设施。MGI将继续扩展材料创新基础设施范围，同时还将在减少数据集成和工具使用障碍方面做出努力。

二、MGI挑战主题

为实现《材料基因组计划战略规划》的目标，2024年7月，MGI明确了7个挑战主题[2]，以更好地帮助统一材料创新基础设施。

1、保护和改善人类健康。为了推进加强美国健康和福祉的举措，需要新材料来提供替代和经济的解决方案，以延长美国人的健康寿命。该主题的内容包括：药物输送，包括使用纳米和仿生材料来靶向人体的感染、损伤和疾病；人造软骨；用于女性健康的软材料，包括乳房再造材料，用于女性癌症、盆底、骨质疏松症等的纳米药物输送系统；医疗器械材料、神经导管和新型牙科材料；纳米医学设计；以及个性化的植入材料；用于监测有毒物质和污染物暴露的便携式或可穿戴设备的材料；供应链中断时利用自动化技术实现的快速设计；利用其他领域的现有基础设施推进生物医学发展。

2、提供可持续和有弹性的能源。随着自然资源和关键材料的持续紧张，需要新材料来确保国家的能源基础设施保持弹性、负担得起且易于获取。该主题的内容包括：与现有能源技术相比，提高性能、延长使用寿命、提高可靠性、减少环境影响和降低成本的先进材料和材料系统。例如：风能、太阳能、地热能、水力发电和生物质能等可再生能源的能源转换效率的提升；便携和更清洁的核能，包括核废料的安全处理和再利用；高性能、适合大规模使用的能源存储和传输，如低成本安全电网存储和传输解决方案；利用太阳能等可再生资源的富含能源的合成燃料，包括清洁氢气和甲醇、氨等；用于各种应用的新型电池解决方案，如超长距离电动汽车、便携式设备和用于航空航天的高功率密度模块化单元。

3、在极端环境中蓬勃发展。人类的创新和探索已经并将继续推动生存能力和可持续性的边界。从发展新的太空经济到探索海底，需要新的经济实惠的材料来确保结构、热、化学和辐射弹性。极端环境包括高温或低温，冷热冲击，暴露于辐射、化学物质、腐蚀性环境（包括海水），压力、冲击、震动等。该主题的内容包括：能承受温度波动、辐射和腐蚀性化学物质暴露的多功能材料、涂料或密封剂；能在爆炸和冲击中持续发挥效能的材料；能强化电子、传感器和存储器等功能设备的材料。这些材料可在多种最终用途中开辟新的前景，包括核能和集中式太阳能、热能和热化学储能、超导和液氢输送等低温应用、太空探索以及国防。

4、提升结构材料性能。结构材料存在的以下问题使得应用新材料的成本很高：被过度设计，以确保性能并避免在系统寿命期间失效；基础设施（如交通、电信和其他关键部门）容易受材料高昂维持成本的影响；这些应用领域大多数都需要大量材料，会对供应链造成一定压力。新材料和制造工艺的资格认证对工程决策至关重要。MGI可以帮助优化策略的平衡，降低材料生产规模扩大及其对其进行资格认证的成本。该主题的内容包括：加强基础设施建设并延长其使用寿命；通过复合材料设计、先进的连接技术和自修复概念来改善材料的失效问题；采用轻量化，提高结构效率，扩大设计空间等方式降低成本；采用模块化材料系统方法提高材料的性能和可修复性；可以加速材料认证过程的方法。

5、保护环境。现有的被破坏的环境需要新材料来修复，包括可以永久分解化学物质和捕获温室气体的材料。MGI可以加速定向的开发和设计、制造和使用促进循环和更环保的材料和化学品。该主题的内容包括：材料的循环再利用设计；直接从矿物到应用的转换；低温合成和加工；新催化剂；低碳混凝土；固碳材料和技术；直接空气捕获技术；用于节能分离的膜技术，包括清洁水和工业过程；用于分离、精炼和替换关键矿产和关键元素的可重复使用材料。

6、推动信息和通信技术（ICT）革命。ICT革命改变了社会。现代生活的几乎所有方面现在都依赖于半导体技术，包括通信、计算、娱乐、医疗保健、能源和交通。因此，这些技术对美国的经济和国家安全至关重要。MGI加速新材料部署的方法对于继续提高ICT系统的性能和功能，同时降低成本和电力要求至关重要。MGI的愿景是在几年内而不是几十年内，开发出新的、高性能的、可持续的材料，用于具有全球竞争力的半导体制造。该主题的其他内容包括：用于具有先进电光、红外和射频传感器功能的设备、组件和封装的材料和制造工艺；节能微电子；紧凑型光学和光子系统；量子技术；混合和非传统计算包括模拟、神经形态、超越冯·诺伊曼架构等；超密集存储器；无线通信（6G及以上）；柔性封装；高功率电子产品。

7、推进关键和新兴技术。2024年2月，白宫科技政策办公室（OSTP）更新发布“关键和新兴技术清单”。MGI能够在许多这些领域产生跨越式的影响，创造就业机会，实现经济繁荣，减轻对手威胁，并确保不对称的战略优势和主导地位。跨越多部门的关键和新兴技术包括：融合制造方法（convergent manufacturing）；远程组装和维修，如在太空或海底；与扩大材料规模相匹配的验证、认证和制造方法；质量控制和检验的计量和无损技术；用于材料/工艺的规范/标准的“黄金”标准数据集；用于数字工程的材料数据和性能标准及其可互操作；平衡材料数据共享与解决安全性和完整性问题的方法。

三、第一轮挑战项目

2024年11月，MGI发布了第一轮资助的5个挑战项目，涵盖多个挑战主题。

1、生物医学设备和植入物的现场组织仿生材料。该挑战项目属于“保护和改善人类健康”主题。生物材料是许多医学突破、技术和设备的基础，但目前尚无法设计和生产可针对特定患者或临床适应症定制的生物材料。生物医学植入物和可穿戴设备需要与周围组织的独特性质相匹配的材料。例如，由于乳房植入物材料与活体组织的性质不匹配、不受控制的渗漏以及需要侵入性手术，目前的乳房植入物材料是不合适的。这些并发症可能会引发免疫反应和身体变形，这些问题也适用于其他生物医学挑战，包括战场受伤导致的容积性肌肉损失等。数据驱动的设计方法可以解决此挑战，并使具有定制属性和低免疫原性的软组织植入物的快速开发和制造成为可能。这些进展将为未来更复杂的生物医学应用的生物材料的计算设计铺平道路。

2、敏捷制造经济实惠的多功能复合材料。该挑战项目属于“提升结构材料性能”主题。热塑性复合材料为动态环境中的载荷提供了独特的结构解决方案，轻量化、制造过程灵活性和成本是关键驱动因素。关键应用领域是从汽车到飞机和航天器的交通部门。到目前为止，由于材料和制造工艺的可变性导致性能不确定性，其采用范围极为有限。如今大多数复合材料是几十年前使用昂贵、迭代、高度经验性的方法开发的，这使调整这些材料以实现新的性能目标具有挑战性。MGI的方法可以克服这些挑战，并将导致颠覆性材料的设计和采用发生重大变革。关键是要开发数字材料设计工具、制备/加工到性能的预测模型以及贯穿整个价值链的合格材料数据。

3、可持续的半导体行业的材料设计。该挑战项目属于“推动信息和通信技术革命”主题。MGI将通过基于人工智能的自主实验（AI/AE），加速设计和部署符合半导体行业目标的新材料，同时从一开始就提出可持续性要求。AI/AE是一种将人工智能与自动化工具相结合的新兴研究方法。2024年10月30日，美国商务部启动1亿美元的“AI/AE用于快速、行业知情的可持续半导体材料和工艺”（CARISSMA）项目资助[3]，以利用人工智能实现这一挑战。

4、在芯片上实现量子定位、导航和授时（PNT）。该挑战项目属于“推动关键和新兴技术”主题。PNT是从车辆导航、物流和供应链追踪、精准农业、应急响应、增强现实到国防应用中普遍存在的需求。然而，几乎所有的PNT都依赖于GPS基础设施，而这种基础设施既陈旧又容易受到故意破坏或环境因素的影响。开发完全集成了磁测量、加速度计或陀螺仪（定位/导航）以及时钟（授时）的固态量子传感器，将能够实现强大的自主导航，引发新技术革命。基于色心或自旋缺陷的固态量子传感器可实现对场传感、陀螺响应或授时等单一任务的优化。多因素参数协同优化的方法将有助于加速目标材料系统的识别，以促进这种集成传感器的开发。

5、高性能、低碳水泥材料。该挑战项目同时属于“提升结构材料性能”和“保护环境”两主题。高性能材料在结构应用中是必不可少的。水泥的生产过程需要对碳酸钙进行高温煅烧，二氧化碳排放量占全球8%。在过去几个世纪里，人们通过反复试验获得了对水泥材料的组成、反应性和长期性能之间关系的认识。需要整合对时间尺度（从水化和碳化动力学到长期耐久性）和空间尺度（分子尺度动力学到大尺度结构）的理解，需要能够将支持材料设计的建模和分析方法联系起来的新工具。这些新材料的设计需要融合一系列对广泛采用至关重要的性能要求，并考虑原料供应链、工作性能、凝结时间、美观和成本等因素，以满足低碳、廉价和高性能水泥材料的迫切需求。                               （张超星）