16 世纪以来,世界科技先后发生了5次革命。第6 次科技革命有可能是一次"新生物学和再生革命",将主要发生在生命科技、信息科技和纳米科技的交叉结合部,表明材料科学必将成为未来科技革命的重要组成部分。

进入21世纪以来,依赖于科学直觉与试错的传统材料研究方法,已严重滞后于当今技术快速发展的需求。革新材料研发方法,加速材料从研究到应用的转化进程,成为各国材料研究的最新发展战略。

依赖于科学直觉与试错的传统材料研究方法日益成为社会发展与技术进步的瓶颈。革新材料研发方法、加速材料从研究到应用的进程成为世界各国共同的需求。作为"先进制造伙伴计划"(Advanced Manufacturing Partnership,AMP)的重要组成部分,美国总统奥巴马在2011 年6 月宣布了"材料基因组计划"(Materials Genome Initiative,MGI),通过整合材料计算、高通量实验和数据库,全面提高先进材料从发现到应用的速度,降低成本。MGI 提出了材料研发的崭新模式,为美国发展高端制造业,保持并强化其在核心科技领域的优势奠定了创新基础。中国材料科学界在1999 年6 月召开主题为"发现和优化新材料的集成组合方法"的第118 次香山科学会议,寻找加速发现新材料的有效途径。2011 年12 月,中国科学院和中国工程院主办主题为"材料科学系统工程"的第S14 次香山科学会议,研究中国应对MGI 的策略,并在随后3 年中,多次组织以材料基因组计划为主题的研讨会、报告会,使得中国材料界对材料基因组技术的认识不断深入,形成基本共识。2014 年,中国科学院和中国工程院分别向国务院提交咨询报告,建议尽快启动实施中国材料基因组计划。本文简要介绍材料基因组计划的主要内容、技术内涵、科学本质、国内外最新动向及其未来发展趋势,并根据中国的实际需求特点与现有条件,对实施中国版材料基因组计划的发展战略、技术路线、政策措施等提出建议。

在材料基因组科学研究中,多尺度集成材料计算占有不可或缺的地位。本文以微观-介观-宏观材料计算方法中具有代表性的第一原理、分子动力学、计算热力学/动力学及有限元方法为重点,介绍多尺度材料计算方法的基础和应用。

经过40 年的发展,材料高通量制备与表征技术已取得了较大的进展,并被证明可有效地加速材料研发-应用进程,因此被列为材料基因组计划的三大技术要素之一。本文简要回顾材料高通量实验技术的发展历程,阐述高通量实验在材料基因组技术中的地位与作用,系统介绍一系列有代表性的高通量制备与表征技术,并指出一些高通量实验方法的应用局限。对未来面临的挑战与发展趋势进行了分析展望,重点介绍基于同步辐射、散裂中子源等大科学装置以及基于材料非均匀性本质的原位统计映射表征解析等发展新一代材料原位实时高通量制备、表征与分析技术的新思路,以期为中国材料基因组技术的跨越式发展提供参考。

材料数据对于国家安全、工程服役安全、科技创新、智能制造等方面的重要性在数据时代越来越彰显出来,在2011 年美国提出的具有变革意义的材料基因组计划中,材料数据与材料计算模拟、材料实验表征一起,为材料发展全流程研究的三大基本工具,使材料研究者与生产管理者进一步充分认识材料数据对加速材料研发进程的推动作用。材料数据具有多样、获取过程复杂、数据间关联关系复杂、知识产权性强等特点,使数据的收集、存储、共享和应用更加复杂。本文就大数据时代下的材料数据的特点、分类、材料数据库的国内外现状对比、中国发展材料数据库与材料数据科学的意义、今后主要发展方向以及存在的问题等方面进行系统分析,提出建设国家材料数据研发与服务公共平台,加大材料数据的收集整合力度,构建国家民用材料数据库与军用材料数据库,开展材料数据及材料数据库相关标准规范建设、定制性专题数据库服务、数据推送服务,同时开展材料信息学、材料数据学等方面的研究,开创并构建材料数据科学这一材料领域新学科。

通过材料计算、数据库技术的整合与协同,可以快速甄别决定材料性能的基本关键因素,将这种方法用于材料的性能优化和新材料的设计,可以实现科学化"系统寻优"的材料基因组方法,显著加快热电材料的设计与性能优化。以填充方钴矿材料和类金刚石结构化合物为例,从电子和声子优化的不同角度,采用材料基因组方法从成百上千种可能性中快速筛选和制备出高性能热电材料,展示了材料基因组方法可显著加速热电材料研究的能力。

组合材料芯片是高通量材料实验技术的重要组成部分,可实现在一块较小的基底上,通过精妙设计,以任意元素为基本单元,组合集成多达10~10⁸种不同成分、结构、物相等材料样品库,并利用高通量表征方法快速获得材料的成分、结构、性能等信息,以实验通量的大幅度提高带来研究效率的根本转变,实现材料搜索的"多、快、好、省"。组合材料芯片技术经历了20 年的发展与完善,已形成一系列较为成熟的材料制备技术与表征方法。本文列举多年来涉及微电子材料、磁性材料、光电材料、能源材料、介电材料、催化材料、合金材料等15 个领域中较为成功的应用案例,以展示组合材料芯片技术在加速新材料发现、材料和器件性能优化、以及基础物理研究中的突出作用及效果。

"材料基因组工程"强调以产业应用为导向,集成和发展材料的计算工具、试验工具和数据库等核心基础能力,聚焦解决关系国计民生产业应用中材料的关键问题。本文列举3 种基于"材料基因组工程"方法在镍基高温合金中的实际应用,包括高通量合金制备及其关键热力学和动力学数据的高通量采集、显微组织的多尺度和多维度表征、微型试样的力学性能检测。分析表明,定量预测和描述材料成分、工艺、组织和性能关系的计算、表征和数据库技术面临极大挑战,基于"材料基因组工程"的方法将促进镍基高温合金的研发,加快从实验室研究到市场应用的转化。

为确定华北板块南缘高变质煤条带形成机制与形成时代,通过研究华北板块南缘中二叠统山西组二1煤层煤级分布和岩浆岩空间展布特征,结合华北板块与扬子板块碰撞历史,利用地质学"重力均衡"原理和日本岩石学家都城秋穗提出的"双变质带"理论,建立碰撞热流模型并合理解释导致高变质煤条带形成的热流来源,得出:1)扬子板块向华北板块的俯冲作用,在华北板块南缘前陆盆地形成高温低压带,促进了煤化作用,形成高变质煤条带;2)结合地质资料和区域构造特征分析,发现高变质煤带走向与印支期构造走向(东—西)一致,该高变质煤条带形成于印支期。燕山期岩浆控制了华北板块南缘大部分煤变质作用,但是在晋城—济源一带其煤变质是由于印支期板块碰撞形成的异常热作用的结果。

随着震旦系—下寒武统天然气勘探取得重大发现,对古构造格局有了新的认识,该地质时期发育呈南北向展布的隆坳构造。桐湾期、加里东期、印支期为四川盆地3 期关键构造变革期,其不整合分析是构造演化研究的重要手段,因此有必要通过关键构造变革期不整合研究,分析构造变革对古构造演化的影响。基于钻井、野外露头、地震资料分析,并结合区域地质资料,探讨关键构造变革期不整合发育特征,研究震旦纪—早寒武世古构造演化及其对震旦系天然气成藏的影响。结果表明:1)3 期关键构造变革形成了震旦系—下寒武统(桐湾期)、中上寒武统—二叠系(加里东期)及上三叠统—侏罗系(印支期),7 个区域性不整合;2)不整合具有叠合性、迁移性特征,叠合性主要反映构造继承性,迁移性主要反映古构造的变迁过程,依据不整合发育特征,高石梯-磨溪构造区构造演化划分为发育期、调整期及稳定期3 个演化阶段;3)不整合与隆起区丘滩体叠加控制了震旦系岩溶储层发育,不整合面可作为油气运聚优势通道,不整合迁移性有助于分析古构造圈闭的形成与消亡。分析认为,关键构造变革期不整合特征分析对认识震旦纪—早寒武世隆坳构造后期演化及油气运聚具有重要意义。

利用MIDAS/Gen 有限元分析软件,对框架填充墙结构的静动力学特性进行研究。由模态分析得结构基频为0.9252 Hz,高阶振型的模态参与系数远小于低阶模态参与系数,即低阶振型对于振动起控制作用;以反应谱的两个频率段为根据来选取时程波,时程分析结果大于反应谱分析结果的80%。通过对本模型的反应谱分析和时程分析得到了关于框架填充墙结构动力特性,并指出了结构薄弱部位,对同类结构的设计与分析有指导意义。

神经免疫在帕金森病(PD)的致病机理中发挥重要的作用,PD 患者的外周血淋巴细胞的数量发生了变化,提示外周免疫系统在PD 的发生发展中发挥一定的作用。但是外周单核细胞(PBMC)在其中发挥的具体作用尚不清楚。外源性神经毒素(MPTP)类似物,内源性神经毒素(NMSal)可能是导致PD 发生的一种因素。研究采用NMSal 损伤的SH-SY5Y与U87 细胞共培养的条件性培养基培养外周单核细胞THP-1,探讨NMSal 损伤的多巴胺能神经元细胞对外周单核细胞的影响。结果表明,该条件性培养基可以降低NMSal 毒性诱导的THP-1 细胞的凋亡、氧化应激水平(MDA 和H₂O₂)、线粒体的损伤和凋亡相关蛋白FADD、Bax 和caspase3 的表达和活化水平。PD 病人中损伤的多巴胺能神经元与星形胶质细胞的相互作用可能会影响PBMC,进而影响PD 病情的进展。

为研究三磷酸腺苷二钠对慢性高原病(chronic mountain sickness,CMS)大鼠肝脏的保护作用,取60 只SD 大鼠,对其中50 例进行慢性高原病造模后,随机分为高原模型组、硝苯地平对照组、三磷酸腺苷二钠低剂量组、三磷酸腺苷二钠中剂量组、三磷酸腺苷二钠高剂量组,每组10 只;剩余10 只平原环境饲养为正常对照组;造模30 d 后,根据大鼠体重进行干预。连续灌胃15d 后,测定肺动脉压(pulmonary artery pressure,PAP)、同型半胱氨酸(homocysteine,Hcy)、白介素-6(interleukin-6,IL-6)、C-反应蛋白(C-reactionprotein,CRP)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、丙二醛(malondialdehyde,MDA)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-PX)、谷丙转氨酶(alanine aminotransferase,ALT)、谷草转氨酶(aspartatetransaminase,AST)等指标。结果发现,与正常对照组比较,高原模型组和硝苯地平对照组大鼠体内的Hcy,IL-6,CRP,MDA,ALT 和AST 水平升高,SOD 和GSH-PX 水平降低,PAP 升高,提示高原低氧对大鼠的肝脏造成损害。与高原模型组比较,三磷酸腺苷二钠高剂量组大鼠体内的Hcy,IL-6,CRP,MDA,ALT 和AST 水平降低(P < 0.05),SOD 和GSH-PX 水平升高(P < 0.05)。故而认为高剂量的三磷酸腺苷二钠对CMS 大鼠肝脏有保护作用。

在近代以前科学的发展历史中,很多著名科学家几乎都是单枪匹马地从事科学研究并且取得了丰硕的成果。但在科学高度分工化的今天,想在科学研究中获得重大的原创性发现,合作尤其是国际合作已经变得越来越重要,在某些领域内甚至成为必不可少的因素。

近日,财政部、国家自然科学基金委员会联合修订发布了《国家自然科学基金资助项目资金管理办法》(财教〔2015〕15号,简称《资金管理办法》)。新修订的《资金管理办法》涵盖范围广、举措力度大。其制定过程中凝聚着科研资金管理与使用的哪些思考与经验？相关内容呈现了怎样的创举及亮点？实施后将如何影响我国现有科研管理局面？新规的出台引起科学界广泛关注。

作为美国先进制造业伙伴计划的重要组成部分,2011 年6月,美国总统奥巴马宣布正式启动强化全球竞争力的"材料基因组行动计划"(MGI for Global Competitiveness),这对材料科学领域的发展具有重要而深远的影响,它第1 次清晰地将"Ma-terials by design"的材料科学之梦展现出来。"材料基因组"思想的内涵在于理性开展材料研发,突破传统材料科学研究中以大量经验积累和简单循环试错为特征的"经验寻优"方式,实现科学化的"系统寻优",革新材料科学的研究模式,促进材料科学研究的创新。虽然材料科学界对"材料基因"本身的学术定义尚存争议,但这种集成的理性研究和MGI 本身以其深刻的学术内涵引起了学术界和产业界的高度重视。

临近暑期,2015 年英国皇家学会夏季科学展将如期而至,本年度的展览将在6 月30—7 月5 日在伦敦举办,将展示英国的22 个前沿项目,涵盖了医药、材料、宇宙科学等多个领域。展览项目由参展的各所大学和研究机构布置,除平面图片介绍及知识手册外,还有实物和模型展示,让观众能更直观地了解相关科学技术。参观者更可以充分地与这些前沿项目背后的科学家面对面交流,拉近普通人与尖端科学的距离。

博物学是一门古老的学问,是自然科学研究的传统之一,通过对动物、植物、矿物、生态系统等做宏观层面的观察、描述、分类等来探索人与自然的关系。进入20 世纪以来,博物学日渐式微。同时,科学技术的进步造成了人类无视自然规律,滥用资源,破坏环境,从而导致了我们当代社会面临的生态危机。如何让人类与自然和谐相处,共存共生,是现代人无法回避的问题。越来越多的学者呼吁:人类应该重新审视自己与自然的关系。我们需要更多的博物学著作唤醒对自然的了解与亲近。刘华杰的《檀岛花事》便是这样一部充满博物情怀的著作。

4 月19 日,是"摩尔定律"诞生50 周年纪念日。毋庸置疑,电子和信息技术已深入我们生活,触摸着我们的衣食住行乐,其发展速度令世人瞩目,似乎有源源不断的动力推动着这一进程。

师昌绪先生离开我们已经有半年多了,但我还经常觉得他仍然健在,还是那样的敦厚蔼然、平易近人。

年都有很多博士生、博士后申请到高校就职。他们一方面热切盼望着加入单位开始自己的事业,另一方面因面临新的挑战而忐忑不安。作为一名在高校工作了近10 年的青年教师,我想结合所见所闻,谈谈到高校任教要注意的问题。

最近,比较受关注的一条科学新闻是:世界首台自主运动可变形液态金属机器出现了,据报道,中国科学院理化技术研究所和清华大学医学院联合研究小组在世界上首次发现了一种独特的现象和机制,即液态金属可在“吞食”少量物质后,以可变形机器形态长时间高速运动,实现了无需外部电力的自主运动。这为研制液态金属机器人等奠定了理论和技术基础。该成果发布后引起很多关注与讨论。