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    【行研干货 新材料类】材料基因工程的发展现状、趋势与投资建议

    2020-06-15

    战略发展部 司鹏



        新材料产业是支撑制造业等众多产业发展的基础,而材料基因工程是材料科技领域的颠覆性前沿技术,有望大幅降低新材料研发的成本、缩短新材料研发的周期。材料基因工程将成为新材料产业发展的重要推动技术,世界主要强国对材料基因工程技术均高度重视。本文介绍了材料基因工程的发展现状及趋势并对投资提出建议,以供参考。


    一、材料基因工程概述

    (一)基本概况

    材料基因组(Materials Genome)这个名词为美国滨州大学的刘梓葵教授在2002年创立材料基因组公司(www.materialsgeonom.com)时所创,后被美国“材料基因组计划”(Materials Genome Initiative,MGI)采用。将原子、分子、相组成等构成材料的微观结构单元视作材料的基因,通过了解材料基因的信息预测材料的性能进而可以根据需求对材料进行改进和设计。材料基因组尚并无特定的科学定义,目前的共识是将材料基因工程作为设计预测型材料研发模式的代称。


    材料基因工程是对新材料开发传统模式的颠覆。以往新材料的研发大多采用试错法,一种新材料从发现到应用需要10-20年的时间;而材料基因工程的做法是将传统的“研发-产品”的过程反转,从应用需求出发,倒推出符合相应功能材料的成分与结构,由“经验指导实验”向“理论预测、实验验证”的模式转变。


    (二)材料基因工程的组成


        材料基因工程融合了高通量计算、高通量实验、专用数据库三大技术。高通量计算:是指利用超级计算平台与多尺度集成化、高通量并发式的材料计算方法和软件相结合,快速实现材料模拟、性质预测和新材料设计,为新材料的研发提供理论依据。高通量实验:包括高通量材料制备及高通量材料表征,为材料模拟计算提供海量的基础数据和实验验证,也可以针对具体应用需求直接快速筛选目标材料。专用数据库:材料数据分为计算数据和实验数据,材料专用数据库可以为材料计算模拟提供计算基础数据,为高通量材料实验提供实验设计的依据,同时计算和实验所得的材料数据亦可以丰富材料数据库的建设。


    二、材料基因工程发展现状

    (一)国外材料基因工程发展现状

    美国、欧盟、日本、韩国等材料强国或地区均启动相应的计划支持材料基因工程的发展,并组建了相应的数据库。



    (二)国内材料基因工程发展现状

    1.政策上积极鼓励,财政上大力支持。


        政策上,国家将材料基因工程列为新材料产业发展的重要一环。《新材料产业发展指南》中指出要统筹布局和建设材料基因工程重大共性技术研究平台,《“十三五”材料领域科技创新专项规划》指出要通过构建三大平台、研发四大关键技术、五类典型新材料的应用示范,实现新材料研发由传统的“经验指导实验”模式向“理论预测、实验验证”新模式转变,实现新材料研发周期缩短一半、研发成本降低一半的目标。


      “材料基因工程关键技术与支撑平台”已列入国家重点研发计划重点专项,中央财政经费累计支持超过8亿元。目前,项目牵头方主要集中在高校及科研院所,企业牵头的仍然较少。


    表1.“材料基因工程关键技术与支撑平台”国家重点研发计划重点专项


    2.国内高校及科研机构纷纷将目光投向材料基因工程领域,国内标准化之路开启。

    北京方面,由中科院物理所和北京科技大学共同发起成立了北京材料基因工程创新联盟;由北京科技大学牵头,北京信息科技大学、中科院物理所、中国钢研科技集团有限公司作为共建单位成立了北京材料基因工程高精尖创新中心。上海方面,成立了材料基因组工程研究院,首批成员单位包括上海大学、复旦大学、华东理工大学、上海交通大学、上海材料研究所、中科院上海硅酸盐研究所和中科院上海应用物理研究所等7家高校和科研院所。另外,宁波成立了宁波国际材料基因工程研究院,四川大学成立了材料基因工程研究中心。


    中国材料与试验团体标准委员会(CSTM)于2019年8月13日发布了《材料基因工程数据通则(T/CSTM 00120-2019)》并于2019年11月13日开始实施,由此开启了材料基因工程领域的标准化进程。《CSTM材料基因工程数据通则》是全球范围内在材料基因工程领域发布的第一部标准,有望基于此发展出国家标准甚至国际标准。


    3.材料基因工程处在发展早期,国内仍存在较多问题。

    一是国内新材料产业总体上和国外仍存在较大差距,很多高端材料需要进口,部分高端材料甚至被限制进口,这些基础薄弱、研究数据不足的材料技术在国外材料基因工程技术的推动下甚至可能会进一步被拉开差距;二是材料性能检测设备、材料计算软件等方面仍然主要依赖进口,中国仪器仪表行业协会的数据显示,2016年检测分析仪器贸易逆差占仪器仪表行业的78.34%。三是数据库建设方面,数据仍需要进一步的标准化,专业数据库需要建立和完善。四是目前企业应用材料基因工程的案例仍然极少,材料基因工程还基本停留在高校及科研机构的研究阶段,成果转化不足,距离大规模应用还相距较远。


    三、材料基因工程发展趋势

    (一)短期内材料基因工程仍将由高校及科研机构主导,长期将促进产学研合作,加快实现上游材料的下游应用。现阶段,材料科学工程仍处于发展早期,偏向于基础研究,整体上存在前述的诸多问题,成功应用于实际的案例仍然偏少。而国内企业大多研发重心在材料的应用上,难以在基础研究上有足够投入,因此短期内材料基因工程的发展仍将由高校及科研机构主导发展。但企业是材料基因工程中不可或缺的一环,从研发角度来说,工艺对材料的性能至关重要,而主要的工艺数据都掌握在企业手中;从应用角度来说,企业才是新材料的使用者和需求方。因此,加强产学研合作以促成研究成果尽早落地是必由之路。


    (二)材料基因工程将促进企业间的协作发展和专用数据库的建设。材料基因工程跨越材料设计到工程应用的整个流程,涉及软件、硬件、数据等多方面资源,因而需要广泛的协作。随着材料基因工程的发展,数据扮演的角色越发重要,而单一企业无法掌握所有所需的材料数据,为了加速新材料的研发和应用,免不了进行数据共享,这将推动企业研究数据向标准化的方向发展,同时企业间的协作将加强。而企业间数据共享可能引起知识产权的纠纷并且大量企业间的数据共享不易实现,因此建设专用数据库成为必然的选择。


    (三)材料基因工程将逐步向数据驱动发展。材料基因工程可大致分为三种工作模式:一是以实验驱动的模式,基于高通量合成与表征实验,直接快速优化与筛选材料;二是以计算驱动的模式,通过理性设计指导进行高效筛选,首先基于计算模拟预测有希望的候选材料,缩小实验范围后再进行实验验证;三是以数据驱动的模式,基于大量数据,采用机器学习找出特征性参量,进行数据挖掘,预测出候选材料。目前常用的仍然是前两种工作模式,但随着数据量增多,通过大数据和人工智能,可以发现人类自身难以发现的材料参数同性能之间的关联,材料基因工程的发展将转向由数据驱动。


    四、投资建议

    材料基因工程仍处在发展初期,技术主要掌握在高校或科研机构手中,仅少量企业在相关领域有所投入。一方面,可关注具备高通量材料制备设备、高通量材料表征设备、高通量材料计算软件等材料基因工程技术的研究团队,促成技术的早日产业化。另一方面,考虑到材料基因工程对产业升级的促进作用,可关注材料基因工程在五大典型示范新材料中的应用进展,一是促成产学研合作,促进已投资企业的技术升级,为已投资企业赋能;二是促成研究成果的落地,有望会成为优质并购标的。



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