Геном материалов: Понимание основ и перспективы развития
Геном материалов — это концепция, которая, хотя и заимствована из биологии, имеет свои уникальные аспекты в области материаловедения. Подобно тому, как геном живых организмов содержит информацию о их структуре и функциях, геном материалов включает в себя важные характеристики, фазы, дефекты и процессы, которые определяют свойства инженерных материалов. Эта концепция стала основой для создания Инициативы по геному материалов (Materials Genome Initiative, MGI), которая направлена на ускорение разработки и внедрения новых материалов и технологий.
История возникновения концепции
Идея генома материалов была впервые озвучена доктором Цзы-Куи Лю в декабре 2002 года, когда он зарегистрировал компанию MaterialsGenome, Inc. в Пенсильвании, США. В 2004 году он подал заявку на защиту товарного знака, который был зарегистрирован в 2012 году. Это стало важным шагом в формировании концепции, которая впоследствии привлекла внимание ученых и инженеров по всему миру.
В 2005 году Цзы-Куй Лю и Пьер Вилларс разработали предложение о создании «Materials Genome Foundation» во время встречи в Швейцарии. Это предложение было представлено группе, организованной ASM International в 2006 году, что стало началом более широкого обсуждения и развития идеи генома материалов.
В 2008 году Партнерство США по автомобильным материалам (USAMP) при поддержке Министерства энергетики США профинансировало проект, который стал основой для разработки программного обеспечения ESPEI. Это программное обеспечение стало важным инструментом для исследователей, позволяя им моделировать и предсказывать свойства материалов на основе их «генома».
В 2011 году термин «геном материалов» был официально использован в рамках Инициативы по геному материалов, организованной Национальным советом по науке и технологиям США. Это событие стало знаковым моментом, который привлек внимание к важности системного подхода к разработке новых материалов.
Основные принципы генома материалов
Геном материалов включает в себя множество аспектов, которые определяют, как материалы ведут себя в различных условиях. Ключевыми элементами этого генома являются:
Структура
На уровне атомов и молекул структура материала определяет его физические и химические свойства. Например, кристаллическая структура может влиять на прочность и проводимость материала.
Фазы
Материалы могут существовать в различных фазах, каждая из которых имеет свои уникальные свойства. Понимание фазовых переходов и их влияния на свойства материалов является важной частью генома.
Дефекты
Дефекты в структуре материала, такие как вакансии или примеси, могут значительно изменить его свойства. Изучение дефектов помогает ученым разрабатывать более прочные и устойчивые материалы.
Процессы
Процессы, такие как термообработка или механическая обработка, могут изменять свойства материалов. Понимание этих процессов позволяет оптимизировать производство и улучшить характеристики конечного продукта.
Применение генома материалов в промышленности
Инициатива по геному материалов направлена на то, чтобы сделать процесс разработки новых материалов более быстрым и эффективным. Это особенно важно в таких отраслях, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и электроника, где требования к материалам постоянно растут.
С помощью концепции генома материалов исследователи могут использовать данные и алгоритмы машинного обучения для предсказания свойств новых материалов. Это позволяет сократить время, необходимое для разработки и тестирования, и снизить затраты на исследования.
Например, в 2016 году группа ученых под руководством Сорелла А. Фридлера сделала первое открытие новых материалов с помощью машинного обучения. Это стало важным шагом в использовании данных для проектирования и разработки материалов, что подтверждает эффективность подхода, предложенного Инициативой по геному материалов.
Будущее генома материалов
С развитием технологий и увеличением объемов данных, доступных для анализа, геном материалов будет продолжать эволюционировать. Ожидается, что в будущем мы увидим еще больше интеграции между наукой о материалах и вычислительными технологиями. Это откроет новые горизонты для разработки инновационных материалов, которые могут изменить различные отрасли.
Одним из ключевых направлений является использование наноматериалов. В 2015 году исследователи, включая Чэньси Цяня и Тодда С).
