含能材料研發(fā)的新模式
——含能材料基因組研究計(jì)劃(EMGI)

1 EMGI的內(nèi)涵與重要性

先進(jìn)材料是高端制造、信息網(wǎng)絡(luò)、人類福祉和國(guó)家安全等幾乎所有現(xiàn)代工業(yè)部門創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的重要基石。為推動(dòng)先進(jìn)材料的發(fā)展，2011年6月美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬簽署了由美國(guó)科學(xué)技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)倡導(dǎo)的“Materials Genome Initiative(MGI)”科技白皮書(MaterialsGenomeInitiativeforGlobalCompetitiveness[EB/OL].http://www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/materials_genome_initiative_final.pdf)。作為重新振興美國(guó)先進(jìn)制造業(yè)計(jì)劃的一部分，MGI旨在通過(guò)集成理論、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)手段，將新材料的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、合成制備到服役應(yīng)用的整個(gè)開發(fā)周期從目前的平均約20年降低一半，而且成本更低廉。毫無(wú)疑問(wèn)，該項(xiàng)計(jì)劃如果成功實(shí)現(xiàn)，那么將全面加快現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展進(jìn)程。

含能材料(EM)是國(guó)防和民生的重要材料，采用MGI模式發(fā)展EM，必將大幅度提高EM研制效率，造福社會(huì)。這就是含能材料基因工程(EMGI)。含能材料基因(EMG)是決定含能材料宏觀性能和行為的基本微觀結(jié)構(gòu)因子及它們之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；EMGI就是發(fā)現(xiàn)決定含能材料性能的"基因組"，并以此設(shè)計(jì)、合成新型含能材料。EMGI強(qiáng)調(diào)借助理論的指導(dǎo)，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的交叉作用并加強(qiáng)融合。其突出特點(diǎn)是把各種數(shù)據(jù)入庫(kù)并進(jìn)行管理，通過(guò)多重迭代，形成EM的大數(shù)據(jù)，獲得材料基因(MG)；同時(shí)通過(guò)理論建模計(jì)算預(yù)估，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的驗(yàn)證，大幅度提高含能材料的制備效率。具體來(lái)講，EMG可包括原子、原子團(tuán)、分子、晶體、晶體/晶體表界面、晶體缺陷、相關(guān)物、晶體/相關(guān)物表界面等，這些可作為今后研究EMG的切入點(diǎn)。例如，低感含能材料具有的EMG是在分子結(jié)構(gòu)上為平面共軛結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)分子內(nèi)氫鍵、鍵離解能大；而在晶體結(jié)構(gòu)上，應(yīng)該具有分子間氫鍵協(xié)助的π-π堆積。(MaY,ZhangC,etal.Cryst.GrowthDes., 2014, 14, 6101；4703)事實(shí)上，尋求EMG并非是一件很容易的事，它必須建立在大量的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上。

EMGI的研究意義在于： (1)EMGI反映了含能材料科學(xué)研究的本質(zhì)?？茖W(xué)的本質(zhì)在于認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界，而EMGI正是從科學(xué)上尋求決定含能材料的微觀結(jié)構(gòu)及這些結(jié)構(gòu)間的關(guān)聯(lián); (2)EMGI將改變含能材料的研發(fā)模式。EMGI將含能材料的數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算與實(shí)驗(yàn)高度融合，改變傳統(tǒng)的試錯(cuò)法研究模式為按需設(shè)計(jì)計(jì)算合成模擬，研發(fā)效率將大大提高; (3)EMGI將改變傳統(tǒng)的封閉觀念，以更為開放的心態(tài)開展相關(guān)研究，合作的大數(shù)據(jù)時(shí)代讓人們共贏。

含能材料自中國(guó)發(fā)明以來(lái)已有一千多年的歷史，經(jīng)歷了黑火藥時(shí)期、近代含能材料時(shí)期和現(xiàn)代含能材料時(shí)期。特別是近一百多年來(lái)，含能材料得到了長(zhǎng)足發(fā)展，品種日益增加，從普通硝基化合物(代表為TNT)到氮雜環(huán)狀硝基化合物(代表為RDX、HMX)再到籠形化合物(代表為CL-20、八硝基立方烷)，能量逐步提高。結(jié)構(gòu)上，除了傳統(tǒng)的CHON中性分子組成的晶體外，又出現(xiàn)了含能共晶(Bolton,O.;Matzger,A.J.Angew.Chem.Int.Ed. 2011, 50, 8960)、含能離子鹽(Zhang,J.;Shreeve,etal.J.M.J.Am.Chem.Soc. 2015, 137, 1697)和含能金屬有機(jī)框架(EMOF)(Li,S.;Pang,S,etal.Angew.Chem.Int.Ed. 2013, 52, 14031)等新結(jié)構(gòu)，豐富了含能材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能。然而，含能材料的發(fā)展卻存在如發(fā)展速度較緩慢、組成結(jié)構(gòu)較單一、難以協(xié)調(diào)能量與感度間的固有矛盾和貯能釋能已接近極限等問(wèn)題。借鑒MGI的模式，即，通過(guò)實(shí)施EMGI，有望實(shí)現(xiàn)EM的快速發(fā)展。從MGI的本質(zhì)來(lái)看，發(fā)展EMGI是可能的。MGI強(qiáng)調(diào)用高通量并行迭代替代傳統(tǒng)試錯(cuò)法中的多次順序迭代，逐步由"經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)"向"理論預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證"的材料研究新模式轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)材料"按需設(shè)計(jì)"。在此過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)、計(jì)算和數(shù)據(jù)庫(kù)高度集成，跨領(lǐng)域的信息也高度集成。在前人研究的基礎(chǔ)上，EM研究也積累了一些EMGI的基礎(chǔ)，例如：(1)含能材料也積累了大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算，基本結(jié)構(gòu)，物理、化學(xué)、力學(xué)、老化行為及服役行為多個(gè)方面；(2)含能材料設(shè)計(jì)合成已深入人心，并積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。采用數(shù)據(jù)、模擬計(jì)算對(duì)待合成的新化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能預(yù)估已發(fā)展到一定的水平，在新材料的合成上發(fā)揮了重要作用；(3)高通量的實(shí)驗(yàn)合成在含能材料制備上已得到應(yīng)用。含能化合物取代合成、含能共晶、含能離子鹽都是實(shí)現(xiàn)批量合成的例子；(4)多尺度的檢測(cè)手段為尋找EMG奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

但是，我們還需加快EMGI計(jì)劃，這主要是因?yàn)椋?1)含能材料是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重要材料；(2)在含能材料數(shù)據(jù)庫(kù)方面，數(shù)據(jù)的積累與開放程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；(3)尚缺乏系統(tǒng)的含能材料設(shè)計(jì)理論方法和程序；(4)高通量的制備方法處于起步階段；(5)含能材料多尺度與高通量檢測(cè)還處于低級(jí)階段，難以確定影響宏觀性能的微觀結(jié)構(gòu)；(6)開放合作的氛圍還未形成。

2 EMGI的發(fā)展設(shè)想

EMGI的中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)字模擬完成先進(jìn)含能材料的“按需設(shè)計(jì)”和全程數(shù)字化制造?，F(xiàn)階段EMGI的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建含能材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施，包括高通量材料計(jì)算平臺(tái)、高通量材料制備與檢測(cè)平臺(tái)和材料數(shù)據(jù)庫(kù)。將這些基礎(chǔ)設(shè)施與現(xiàn)有的集成計(jì)算材料工程無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科交叉和融合，從而加速含能材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的進(jìn)程。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合成出性能優(yōu)異的含能材料。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)展目標(biāo)，將采取以下具體措施，包括： (1)發(fā)展含能材料計(jì)算工具和方法，減少耗時(shí)費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)，加快含能材料設(shè)計(jì)和篩選； (2)發(fā)展高通量含能材料實(shí)驗(yàn)工具，對(duì)候選含能材料進(jìn)行篩選和驗(yàn)證； (3)發(fā)展和完善含能材料數(shù)據(jù)庫(kù)/信息學(xué)工具，有效管理含能材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用全過(guò)程數(shù)據(jù)鏈； (4)改革含能材料界的封閉型工作方式，培育開放、協(xié)作的新型合作模式。

MGI平臺(tái)包括數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)與計(jì)算、制備與表征和服役與失效評(píng)估四個(gè)部分。

(1) EM數(shù)據(jù)庫(kù)。收集整理含能材料相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，制定含能材料數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；選擇數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法與工具，開展數(shù)據(jù)庫(kù)模型設(shè)計(jì)；應(yīng)用軟件工程技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及管理平臺(tái)詳細(xì)設(shè)計(jì)與開發(fā)。

(2) EM設(shè)計(jì)與計(jì)算。在結(jié)構(gòu)上，包含含能材料的多尺度多層次結(jié)構(gòu)：分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、表界面結(jié)構(gòu)和部件幾何結(jié)構(gòu)等； 在性能上，包含含能材料的能量、安全性、力學(xué)、相容性和老化性能等； 在計(jì)算方法上，包含分子模擬、元胞模擬和基于數(shù)值的計(jì)算。另外，考慮外界刺激條件如熱力等，同時(shí)，必要的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證也是計(jì)算要考慮的內(nèi)容。面向EMGI和國(guó)家先進(jìn)武器裝備需求的含能材料高性能的計(jì)算主要包括如下學(xué)科方向： 含能材料科學(xué)認(rèn)知，包括組成、結(jié)構(gòu)、性能間的關(guān)系及規(guī)律，加載條件下的演化機(jī)制與規(guī)律等； 含能材料設(shè)計(jì)，包括含能分子工程、含能晶體工程、含能相關(guān)物設(shè)計(jì)、混合炸藥設(shè)計(jì)等； 含能材料工程應(yīng)用設(shè)計(jì)，包括安全彈藥設(shè)計(jì)，加工、制備工藝設(shè)計(jì)等。通過(guò)上述研究，形成包含計(jì)算含能材料學(xué)理論與方法、含能材料知識(shí)庫(kù)和硬軟件的含能材料基因科學(xué)與工程的高性能計(jì)算研究平臺(tái)。

(3)EM制備與表征?；贓MGI模式的EM制備與表征具有多尺度、"一條龍"和高通量的高效特點(diǎn)。在EM的制備上，包括三個(gè)層次：含能分子的創(chuàng)制、含能晶體的控制制備和混合炸藥的制備。在設(shè)計(jì)與計(jì)算的基礎(chǔ)上，如選擇四工作區(qū)平臺(tái)開展工作，而結(jié)晶和混合炸藥的制備也考慮并行或批量實(shí)驗(yàn)。針對(duì)含能分子、含能晶體、含能復(fù)合材料和PBX炸藥，建立分析技術(shù)和方法，鑒定分子結(jié)構(gòu)，建立晶相、表界面、成分、熱性能、力學(xué)和安全性分析標(biāo)準(zhǔn)和方法，為含能材料的制備提供高效可靠地分析保障。

(4)EM服役及老化行為。在含能材料老化與相容性研究中，在材料尺度下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)性、熱力學(xué)、分子降解機(jī)制和微觀結(jié)構(gòu)研究，掌握組份材料的微觀變化機(jī)制；在試件和部件尺度下，重點(diǎn)開展老化試驗(yàn)技術(shù)研究，界面性能測(cè)試、質(zhì)量測(cè)試、密度測(cè)試、力學(xué)性能測(cè)試、釋氣種類和組份測(cè)試，考察宏觀性能變化，研究老化相容性過(guò)程中試件到部件的尺寸效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)上提高老化相容性研究效率；建立數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)微觀變化機(jī)制到宏觀性能間的有效關(guān)聯(lián)。

此外，EMGI的理論及其與數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的協(xié)同發(fā)展。EMGI理論的發(fā)展與數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算與實(shí)驗(yàn)發(fā)展緊密相關(guān)：理論是數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算與實(shí)驗(yàn)各方法的基礎(chǔ)與聯(lián)系紐帶，同時(shí)也是指導(dǎo)新型含能材料研發(fā)的準(zhǔn)則。EMGI理論發(fā)展要重視如下幾點(diǎn)：(1)發(fā)展新型含能材料數(shù)據(jù)庫(kù)框架理論，指導(dǎo)構(gòu)建更為高效的數(shù)據(jù)庫(kù)框架；(2)發(fā)展完善計(jì)算含能材料學(xué)理論，指導(dǎo)提高計(jì)算效率和設(shè)計(jì)效率；(3)發(fā)展含能材料合成制備及檢測(cè)方法新理論，指導(dǎo)提高新型含能材料的制備效率和檢測(cè)效率；(4)加強(qiáng)理論在各個(gè)環(huán)節(jié)的紐帶作用，指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)EMGI的高效作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

采用基因組的思路發(fā)展含能材料，有望帶來(lái)新的機(jī)遇，可能在含能共晶與含能離子鹽方面獲得突破。更重要的是，EMGI將大大改變?nèi)藗冄邪l(fā)EM的文化理念，更加開放協(xié)同，EM的制備效率大大提高。

張朝陽(yáng)

中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所含能材料基因科學(xué)研究中心

e-mail: chaoyangzhang@caep.cn

NSAF聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目(U1530262)

感謝中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所趙川德、鄧川和魯洪三位同志提供相關(guān)文稿。