材料信息學的認識

楊朝鑫

摘 要：參考了先前關于材料信息學的定義，查閱了多位老師的論文，認識了材料信息學的交叉學科特點，簡述了材料信息學的結構和功能，小結了材料信息學在美國、歐洲以及在中國的誕生與發展歷程，結合當前人工智能、大數據、信息系統、物聯網和量子計算機的快速發展趨勢，得出集優勢的材料信息學通過采用虛擬材料研發模式可以提高效率和效益的見解，并給出了發展該學科的建議。

關鍵詞：材料 材料學 信息學 材料信息學 人工智能

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（a）-000-03

材料是由化學物質或物質混合物構成的物體[1，2]。材料就在我們的身邊，并且與我們的生產、生活密不可分，是人類進步的里程碑[3]。隨著生產水平的快速提高和人們生活的日益豐富化，因此對材料的需求趨于多元化。為了滿足這些需要，材料的研究開發、生產制造必須提速，同時成本也要降低，材料信息學由此應運而生。在中國，宋慶功老師首次引入了材料信息學的概念及定義：是利用信息科學與技術對材料信息進行收集、存儲、加工、檢索、提取、交換、傳輸、分析、研究、應用的學科[4]。

1 材料信息學

材料信息學是材料學和信息學的交叉學科。在信息化日益發展的時代，大量的物體得以信息化，材料也不例外。作者通過參考宋慶功、魏群義、李義春等老師的文獻[1，4-8]，得出認識：材料信息學是一個新興領域，它所涵蓋范圍極大，其中包括了組合化學、分子模擬、材料數據管理、材料信息系統、人工智能和產品生命周期管理等分領域。具體到各個分領域來看，最近十幾年剛剛興起的組合化學已在材料合成領域取得了突破性進展，它將化學合成、組合理論、計算機輔助設計、機械手充分結合，由此創建包含大量分子多樣性群體的化合物庫，再通過優選獲得可能的有目標性能的化合物結構[9]。近年來分子模擬在材料領域迅速發展并得到廣泛應用，它運用理論方法與計算機技術模擬或仿真分子運動，進而研究材料的結構、性能及優化設計[10]。材料數據管理作為材料信息學的基礎，經由數據庫科學地組織、存儲并高效地獲取、維護材料數據。材料信息系統和人工智能的融合如虎添翼，通過輸入、處理海量的材料數據獲得高價值的材料信息，又經存儲、傳播讓這些信息長存和共享并得到充分應用。產品生命周期管理采用先進的信息化思想，以最有效的方式和手段來降低材料成本而增加收益[11]。

材料信息學的橫空出世必將促進材料學理論、技術與工程長足的發展。組合化學極大地加快了化合物的合成與篩選速度，分子模擬適當地簡化條件而避免繁瑣的計算，高完整性的海量材料數據庫將使材料設計者更加得心應手，數字化的材料設計思想、方法、手段和智能化的信息系統，讓知識工作者從傳統繁雜的過程解脫出來，使他們有更多的時間和精力投入創新性工作中。

作者通過查閱相關參考文獻[1，4-16]和整理，小結出了材料信息學的誕生與發展歷程。1995年，在美國勞倫斯-伯克萊國家實驗室工作的項曉東博士和Schultz P. G. 教授，首次證實了組合方法是可以用來發現新材料的，由此加快了組合材料學的研究步伐。在實驗過程中，組合材料學和高通量會產生大量的數據，這些指數增長的大數據量是傳統的統計學難以應對的，而信息學可以做到。這個實驗讓我們意識到：信息學為材料學提供了優化方案，材料學為信息學提供了新的發展空間。隨后，1999年，在美國波士頓市舉行的材料信息學專題國際會議上，John R. R.學者首次提出了材料信息學（materials informatics）的概念[17]。這是第一次在文獻中正式提出材料信息學的概念。從此，在進入21世紀初，材料信息學普遍得到西方發達國家的重視。一些專題國際會議相繼召開，并且出版了論文集[18-20]。隨之而來的是相應國家發展規劃的推出和一系列研究機構的建立或信息平臺的建設：在美國，總統奧巴馬提出了材料基因組計劃，其目標是將材料數據集成化、規范化、共享化，因此在國家標準與技術研究院成立了組合方法研究中心，并且專門針對有機聚合體建設了信息學系統；美國科學基金會資助建立了組合科學和材料信息學全球實驗室，麻省理工大學資助的材料項目研究創建了材料信息數據庫，哈佛大學創建了分子空間數據庫，肯特州立大學建立了材料信息學實驗室，美國通用電氣公司提出建立集成計算材料工程網絡，Symyx技術公司使用信息學方法開發了協助材料組合研發的軟件（Symyx Software），Accelrys公司開發了針對材料學領域的專業軟件（Materials Studio）。在歐洲，德國的薩德爾蘭大學建設了信息學系統，法國的國家科學研究中心牽頭聯合22 家單位共同促進材料信息學的發展。緊跟世界科技進步的步伐，中國的科技工作者積極參與探索材料信息學的發展及其應用。在中國大陸，1999年由中國科學院資助創建了中國科技大學組合材料學及應用研究室；由科技部主管的北京現代華清材料科技發展中心，作為國家新材料創新服務體系之一，開發了國家材料信息綜合服務平臺—中國材料網；重慶大學開展了材料信息標準化和材料信息學平臺研究；作為高科技企業Accelergy公司構建了集成材料信息學平臺。應眾多學者的提議，由《材料導報》雜志社主辦，開始于2007年5月在西南交通大學舉行并專門設立了材料信息學分會場。材料信息學的研究如雨后春筍般應運而生。在谷歌學術鏡像網站上，作者通過輸入“materials informatics”關鍵詞進行搜索（搜索時間：2018年11月6日），結果中相關文獻有1680篇，數量較之前有所增加；輸入“材料信息學”關鍵詞進行搜索（搜索時間：2018年11月6日），獲得相關文獻有92篇。在中國知網上，作者通過輸入“materials informatics”關鍵詞進行檢索（檢索時間：2018年11月6日），結果中有相關文獻75篇，輸入“材料信息學”關鍵詞進行檢索（檢索時間：2018年11月6日），找到相關文獻有85篇，讓大家看到了進步。

隨著阿爾法圍棋（AlphaGo）橫掃當今所有的人類職業圍棋頂尖棋手，并且創下了舉世矚目的業績，由此人工智能成為婦孺皆知，其理論、技術、工程和應用都有了突破性的進展。當前大數據的不斷涌現，信息系統的日臻成熟，物聯網的呼之欲出，量子計算機的出現，所有這些優勢都將開啟材料信息學的新篇章。傳統材料研究采用“試錯”的模式，這一模式存在致命的缺陷——低效率與高成本，一種新材料的研發往往需要10～20年甚至更長時間。然而，集優勢的材料信息學可以采用虛擬材料研發模式，該模式可以有效地管理海量的材料結構和特性數據，可用于模擬未解的現象，提高預測新材料的結構與性能水平，極大地縮短了新材料和新工藝的開發時間。

2 結語

材料是鮮活的，是靈動的。當你踏足這一領域的時候，就會被這一領域的廣度和深度所震撼。21世紀的四大科學研究熱點分別是材料學、生命科學、人工智能和太空學。在此大環境下孕育而生的材料信息學無疑是個嬰兒，但它卻是四大學科之二的交叉學科，潛力無限。從1999年的概念提出至今，材料信息學雖沒有形成一個完整的系統，但縱觀全局，其發展尤為可觀，而世界各國，特別是我國，想要抓住時代性機遇，發展和完善材料信息學是必須邁出的第一步。

參考文獻

[1] Wikipedia.Material[EB/OL].（2018-10-26）.https：//en.wikipedia.org/wiki/Material.

[2] 材料[EB/OL].（2018-10-26）.https：//baike.baidu.com/item/材料.

[3] 熊家炯.材料設計[M].天津：天津大學出版社，2000.

[4] 宋慶功.材料信息學初探[J].科學通報，2003，48（22）： 2384-2387.

[5] 宋慶功，姜恩永，韓志勇，等.材料信息學平臺的研究現狀發展趨勢與作用[J].材料導報，2008，22（1）：70-73.

[6] 魏群義，彭曉東，劉相果，等.材料信息學及其發展思路[J].科學通報，2006，51（4）：491-496.

[7] 魏群義，彭曉東，楊艷，等.材料信息學學科理論體系的研究[J].材料導報，2009，23（5A）：79-81.

[8] 李義春.大力推動材料信息學研究[J].材料導報，2004，18（11）：1-2.

[9] 組合化學[EB/OL].（2018-10-28）.https：//baike.baidu.com/item/組合化學.

[10] 百度百科.分子模擬（自然學科）[EB/OL].（2018-10-28）.https：//baike.baidu.com/item/分子模擬.

[11] 百度百科.產品生命周期管理[EB/OL].（2018-10-28）.https：//baike.baidu.com/item/產品生命周期管理.

[12] 魏群義，彭曉東.材料信息學的研究現狀及發展趨勢分析[J].材料導報，2007，21（4）：1-4.

[13] 王卓，王礞，雍歧龍，等.材料信息學及其在材料研究中的應用[J].中國材料進展，2017，36（2）：132-140.

[14] 魏群義.材料信息學基礎及材料信息學平臺工程應用研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[15] 趙正爽.面向材料基因組的材料信息學技術研究[D].成都：電子科技大學，2017.

[16] 李任之.“材料基因”高性能化學信息檢索系統的設計與實現[D].合肥：中國科學技術大學，2017.

[17] John RR.What is material informatics， Materials Informatics-Effective Data Management for New Materials Discovery[Z].1999.

[18] Michael JD. Matinformatics-Better decisions in chemicals R&D;， COMBI-Combinatorial Approaches for New Materials Discovery[Z].2001.

[19] Rodgers JR. Materials informatics： Knowledge acquisition for materials design[A].Abstracts of Papers of The American Chemical Society. 1155 16TH ST， NW， WASHINGTON， DC 20036 USA： AMER CHEMICAL SOC[C].2003：302-303.

[20] Krishna R. Perspectives and articulations of materials informatics[A].The 19th International CODATA Conference： Symposium for Materials Informatics and Its Evolution， Boston： Knowledge Press[C].2004.