材料信息学的认识

杨朝鑫

摘 要：参考了先前关于材料信息学的定义，查阅了多位老师的论文，认识了材料信息学的交叉学科特点，简述了材料信息学的结构和功能，小结了材料信息学在美国、欧洲以及在中国的诞生与发展历程，结合当前人工智能、大数据、信息系统、物联网和量子计算机的快速发展趋势，得出集优势的材料信息学通过采用虚拟材料研发模式可以提高效率和效益的见解，并给出了发展该学科的建议。

关键词：材料 材料学 信息学 材料信息学 人工智能

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（a）-000-03

材料是由化学物质或物质混合物构成的物体[1，2]。材料就在我们的身边，并且与我们的生产、生活密不可分，是人类进步的里程碑[3]。随着生产水平的快速提高和人们生活的日益丰富化，因此对材料的需求趋于多元化。为了满足这些需要，材料的研究开发、生产制造必须提速，同时成本也要降低，材料信息学由此应运而生。在中国，宋庆功老师首次引入了材料信息学的概念及定义：是利用信息科学与技术对材料信息进行收集、存储、加工、检索、提取、交换、传输、分析、研究、应用的学科[4]。

1 材料信息学

材料信息学是材料学和信息学的交叉学科。在信息化日益发展的时代，大量的物体得以信息化，材料也不例外。作者通过参考宋庆功、魏群义、李义春等老师的文献[1，4-8]，得出认识：材料信息学是一个新兴领域，它所涵盖范围极大，其中包括了组合化学、分子模拟、材料数据管理、材料信息系统、人工智能和产品生命周期管理等分领域。具体到各个分领域来看，最近十几年刚刚兴起的组合化学已在材料合成领域取得了突破性进展，它将化学合成、组合理论、计算机辅助设计、机械手充分结合，由此创建包含大量分子多样性群体的化合物库，再通过优选获得可能的有目标性能的化合物结构[9]。近年来分子模拟在材料领域迅速发展并得到广泛应用，它运用理论方法与计算机技术模拟或仿真分子运动，进而研究材料的结构、性能及优化设计[10]。材料数据管理作为材料信息学的基础，经由数据库科学地组织、存储并高效地获取、维护材料数据。材料信息系统和人工智能的融合如虎添翼，通过输入、处理海量的材料数据获得高价值的材料信息，又经存储、传播让这些信息长存和共享并得到充分应用。产品生命周期管理采用先进的信息化思想，以最有效的方式和手段来降低材料成本而增加收益[11]。

材料信息学的横空出世必将促进材料学理论、技术与工程长足的发展。组合化学极大地加快了化合物的合成与筛选速度，分子模拟适当地简化条件而避免繁琐的计算，高完整性的海量材料数据库将使材料设计者更加得心应手，数字化的材料设计思想、方法、手段和智能化的信息系统，让知识工作者从传统繁杂的过程解脱出来，使他们有更多的时间和精力投入创新性工作中。

作者通过查阅相关参考文献[1，4-16]和整理，小结出了材料信息学的诞生与发展历程。1995年，在美国劳伦斯-伯克莱国家实验室工作的项晓东博士和Schultz P. G. 教授，首次证实了组合方法是可以用来发现新材料的，由此加快了组合材料学的研究步伐。在实验过程中，组合材料学和高通量会产生大量的数据，这些指数增长的大数据量是传统的统计学难以应对的，而信息学可以做到。这个实验让我们意识到：信息学为材料学提供了优化方案，材料学为信息学提供了新的发展空间。随后，1999年，在美国波士顿市举行的材料信息学专题国际会议上，John R. R.学者首次提出了材料信息学（materials informatics）的概念[17]。这是第一次在文献中正式提出材料信息学的概念。从此，在进入21世纪初，材料信息学普遍得到西方发达国家的重视。一些专题国际会议相继召开，并且出版了论文集[18-20]。随之而来的是相应国家发展规划的推出和一系列研究机构的建立或信息平台的建设：在美国，总统奥巴马提出了材料基因组计划，其目标是将材料数据集成化、规范化、共享化，因此在国家标准与技术研究院成立了组合方法研究中心，并且专门针对有机聚合体建设了信息学系统；美国科学基金会资助建立了组合科学和材料信息学全球实验室，麻省理工大学资助的材料项目研究创建了材料信息数据库，哈佛大学创建了分子空间数据库，肯特州立大学建立了材料信息学实验室，美国通用电气公司提出建立集成计算材料工程网络，Symyx技术公司使用信息学方法开发了协助材料组合研发的软件（Symyx Software），Accelrys公司开发了针对材料学领域的专业软件（Materials Studio）。在欧洲，德国的萨德尔兰大学建设了信息学系统，法国的国家科学研究中心牵头联合22 家单位共同促进材料信息学的发展。紧跟世界科技进步的步伐，中国的科技工作者积极参与探索材料信息学的发展及其应用。在中国大陆，1999年由中国科学院资助创建了中国科技大学组合材料学及应用研究室；由科技部主管的北京现代华清材料科技发展中心，作为国家新材料创新服务体系之一，开发了国家材料信息综合服务平台—中国材料网；重庆大学开展了材料信息标准化和材料信息学平台研究；作为高科技企业Accelergy公司构建了集成材料信息学平台。应众多学者的提议，由《材料导报》杂志社主办，开始于2007年5月在西南交通大学举行并专门设立了材料信息学分会场。材料信息学的研究如雨后春笋般应运而生。在谷歌学术镜像网站上，作者通过输入“materials informatics”关键词进行搜索（搜索时间：2018年11月6日），结果中相关文献有1680篇，数量较之前有所增加；输入“材料信息学”关键词進行搜索（搜索时间：2018年11月6日），获得相关文献有92篇。在中国知网上，作者通过输入“materials informatics”关键词进行检索（检索时间：2018年11月6日），结果中有相关文献75篇，输入“材料信息学”关键词进行检索（检索时间：2018年11月6日），找到相关文献有85篇，让大家看到了进步。

随着阿尔法围棋（AlphaGo）横扫当今所有的人类职业围棋顶尖棋手，并且创下了举世瞩目的业绩，由此人工智能成为妇孺皆知，其理论、技术、工程和应用都有了突破性的进展。当前大数据的不断涌现，信息系统的日臻成熟，物联网的呼之欲出，量子计算机的出现，所有这些优势都将开启材料信息学的新篇章。传统材料研究采用“试错”的模式，这一模式存在致命的缺陷——低效率与高成本，一种新材料的研发往往需要10～20年甚至更长时间。然而，集优势的材料信息学可以采用虚拟材料研发模式，该模式可以有效地管理海量的材料结构和特性数据，可用于模拟未解的现象，提高预测新材料的结构与性能水平，极大地缩短了新材料和新工艺的开发时间。

2 结语

材料是鲜活的，是灵动的。当你踏足这一领域的时候，就会被这一领域的广度和深度所震撼。21世纪的四大科学研究热点分别是材料学、生命科学、人工智能和太空学。在此大环境下孕育而生的材料信息学无疑是个婴儿，但它却是四大学科之二的交叉学科，潜力无限。从1999年的概念提出至今，材料信息学虽没有形成一个完整的系统，但纵观全局，其发展尤为可观，而世界各国，特别是我国，想要抓住时代性机遇，发展和完善材料信息学是必须迈出的第一步。

参考文献

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