材料非常重要。高温涡轮发动机的效率、置换关节和植入体的生物相容性、先进电池的使用寿命以及开启了电子世界的复杂的电子元器件，都由材料的选定和优化所决定。这些创新和其他各种因素形成了我们所认知的世界，并使未来有无限遐想。然而，一种新型材料从最初发现到实际应用需要20年或更长时间。

国家的经济竞争力和在未来几十年的繁荣将非常依赖于美国创新的步伐。为了认识先进材料在支持驱动美国制造业部门的重要性，在2011年6月，美国总统奥巴马推出了材料基因组计划（MGI），其目标是：与原料相比，以快两倍的速度和一小部分的成本，探索、开发、制造和部署先进材料（材料性能表征测量系统）。

这一雄心勃勃的目标是可以实现的。在21世纪初进行的研究表明，一个系统化的材料设计、优化和实施方法能显著缩短设计时间和成本，同时提高质量。其中一些成就被记入2008年全国研究委员会的集成计算材料工程（ICME）：提高竞争力和国家安全的一个转型原则。一个早期的例子是在美国国防部高级研究计划局（DARPA）下的两个航空发动机设计公司合作加速材料项目的植入。同时优化设计和制造过程的新原则促成了新的转盘设计，它减重了21％，但爆破强度提高了19％，全部实现仅是常规开发周期一半的时间。

2007年早期的另一个成功故事是新的柴油发动机，它通过使用建模和分析工具被迅速推向市场。这种模拟驱动的方法缩短了开发时间和成本，它通过减少对昂贵和耗时的硬件测试的依赖、并减少昂贵的重新设计而实现；它允许工程师计算性地考虑广泛的设计可选方案不需投资硬件而改善发动机的性能。该工作利用了来自能源燃烧研究设施部的基础燃烧建模和激光诊断，这种强大的计算和先进的表征工具相结合反映了MGI愿景的一个早期例子。

创新性的实验工具在加速材料开发和部署方面也起了关键作用。高通量的实验技术已经在医药研究领域成功部署，并缩短新的药物疗法的上市时间。相比而言，组合方法可以生产比传统方法多1000倍以上的具有潜在医药价值的化合物，而单位成本却少了600倍以上。随着时间的推移，组合技术已经扩展到其他领域（如催化、热电材料和合金设计），并包括组合合成和表征，从而实现快速评估和分析。

图1. 材料开发连续

这些早期工作的成功和经验证明了不同方法的功能，以及给材料连续开发所有阶段带来工作流程巨大改变的潜力（见图1），以加速材料推向市场，并有助于MGI的设计和目标。2011年MGI白皮书，《全球竞争力的材料基因组项目》，描述了材料创新的基础设施，包括先进的计算、实验和数据信息学工具（见图2），连同材料科学与工程的协作、集成研究范式。“MGI方法”寻求独特的和无缝集成的计算、试验和数据来推动新材料的成功发现、更快速的部署和工业化。

虽然MGI本身是一个大胆的举措，它本身还与其他政府优先事项和联邦活动相结合以侧重于解决一些国家最迫切需求的领域，如清洁能源、国家安全以及人类健康和福利方面，这些领域都有都需要先进材料解决方案的潜在挑战。总统展示了MGI和其他主要联邦机构工作的关联，旨在通过推出MGI以及先进制造伙伴（AMP）恢复和重振美国制造业，在政府、产业和学术界的合作以找出最紧迫的挑战和变革的机会，从而改善技术、工艺和多个制造业的产品。此外，MGI有清晰的指令，为数据共享和访问提供基础设施，这项任务直接支持联邦资助科学研究的开放数据访问的《2013年科学与技术政策办公室》备忘录。此外，MGI紧密结合了国家纳米技术计划（NNI），因为材料科学家和工程师利用了NNI过去十年在纳米级别对材料的理解和控制的进步。当与这些其他倡议和优先事项相结合时，MGI必须潜在的支持下一波的美国制造业，培养多种跨部门和跨学科的合作，这将为有效地解决国家面临的各种挑战开创全新的途径。

图2.材料的创新基础设施

MGI向整个材料界发出一个独特的挑战：在半年时间内以最小成本把下一代材料转换为产品。这种做法可能会加速发现目前无法使用常规工具实现的新材料，更快的把已知材料应用到新产品中，发展目前仅存在于想象中新技术（如可用在军用车辆、头盔和士兵装备的抗冲击减震材料；可以轻松承受高冲击碰撞的超轻质汽车材料；或可以使手机保持充电数的薄膜电池材料）。本文档描述的策略（由联邦机构与来自学术界、国家和联邦实验室以及业界的关键利益相关者的输入）的目的是指导和协调联邦的活动，并为贯彻总统的愿景提供清晰的技术路线。

接下来的两章概括了实现MGI愿景的四大战略挑战，随后是一系列成功应对这些挑战的目的和目标。随后的章节是关于实现国家目标，且讨论了MGI如何确保国家需求满足安全、人类健康和福利、清洁能源、基础设施和消费品的杠杆平衡。最后，讨论了一系列来自整个材料类和应用范围的科学和技术挑战。工具和科学文化的演进，也将发展成为MGI的一部分，这可直接用于克服这些挑战和其他尚未确定的因素，以此来执行总统加速发现和发展新材料的指令。

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