材料、信息及能源，是现代文明的三大支柱，也是现代人类生活的基础，对一个国家的经济发展至关重要［30］。回顾世界科技的发展史，不难发现重大的技术革新往往从材料的创新开始。例如，20世纪50年代，镍基高熔点合金的发现导致了超音速飞机的发明；20世纪70年代，半导体材料（硅、锗等）的发明刺激了现代信息技术尤其是计算机技术的全面进步，高温陶瓷材料的出现极大地推动了航天飞机的发展［67］。时至今日，人类对各种材料已进行了深入全面的研究阶段，这些材料构成了当代工业的基础。
2011年6月24日，美国政府提出“先进制造业伙伴关系”（Advanced Manufacturing Partnership，AMP）计划，其中的一项重要内容是材料基因组计划（Material Genome Initiative，MGI），该计划旨在为加速先进材料的开发和配置应用提供相应的配套设施。材料基因组计划与1990年10月提出的人类基因组计划有相似之处，尽管基因的数目是有限的（约26 000个基因分布在23对染色体中），但是基因的不同排列组合可以导致各种各样的生物现象、个体特征以及各种疾病。类似地，虽然元素周期表中的元素是有限的（迄今为止是118种），但是由这些基本元素可以组合成不同性质的各种物质。
当前，一种新型材料从开始研究到首次投入使用往往需要经过10年到20年的时间［68］，如锂离子电池。总体来讲，绝大多数材料的设计都要经历耗时且大量重复的实验，即“制备、实验、再制备、再实验”［69］的过程。为了加速材料的设计开发，材料基因组计划致力于推动计算机建模和发展先进算法，以便减少对物理实验的依赖。此外，日益完善的数据交换系统和集中的工程师团队也将使得材料开发所需经历的发现、开发、性能优化、系统设计和集成、验证、制造、配置等环节发生重叠和相互影响。图2.10显示了材料基因组计划的基本框图。(www.xing528.com)
如果材料基因组计划得以成功实现，那么一种新材料的研制周期将从今天的10～20年缩短至少一半。各个领域的科学家、工程师和制造商将在庞大的材料信息平台上共享数据库、开发工具和模型。材料的发现也将变得更加容易和快捷，科学知识将更广泛、更迅速地应用到工程领域中，材料家族的成员将以更高效的方式得到扩充，正是在这样的愿景下，美国政府宣称材料基因组计划的成功实施将会带动美国制造业的复兴［70］。
图2.10 材料基因组计划结构［68］
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