Инициатива "Геном материала" в мире и Российской Федерации

Недостаточно, по мнению авторов, представлены в русскоязычной литературе современные методы и подходы, вошедшие в MGI и позволяющие получать максимальный эффект по направлениям концепций известных в РФ, таких как Big data, компьютерные технологии для моделирования и производства деталей, аддитивное производство, новые материалы и др. [1, 2].

Особенностью подготовки данной статьи является отсутствие общепринятых аналогов у многих терминов на русском языке. С благодарностью будут приняты любые корректировки и предложения по упомянутым в статье терминам.

Авторами приведено обоснование применимости новых методов на примере зарубежных исследований и подведены некоторые итоги уже ведущихся в РФ исследований на примере конструкционных материалов. Рассмотрение методов MGI в приложении к функциональным материалам, мягким материалам и композитам, а также принципов построения киберструктуры планируется выполнить в отдельных публикациях.

ПЕРЕДОВЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПОСТИНДУСТРИАЛЬНЫХ СТРАНАХ

Интегральным показателем, иллюстрирующим благополучие граждан, является индекс человеческого развития (ИЧР), который исчисляется на основании данных об ожидаемой продолжительности жизни, уровне грамотности и жизни, валовом национальном доходе на душу населения. Один из наиболее высоких показателей ИЧР в мире в США (РФ – 50 место). Преимущество стран-лидеров по ИЧР обеспечивается за счет сосредоточения ресурсов в областях, имеющих наибольшую добавленную стоимость: НИОКР и проектирование. При этом производство (материальная стадия) имеет наименьшую добавленную стоимость и не обеспечивает повышения ИЧР (например, Китайская народная республика – 90 место). Таким образом, повышение благосостояния граждан невозможно без развития научного комплекса страны.

Основные направления НИОКР в развитых странах - создание передовых производственных технологий (ППТ). ППТ представляют комплекс процессов проектирования и изготовления на современном технологическом уровне индивидуализированных материальных объектов (товаров) различной сложности, стоимость которых сопоставима со стоимостью товаров массового производства, в т.ч. в странах с дешевой рабочей силой [3]. ППТ позволяют достичь преимущества над странами с дешевой рабочей силой, что необходимо для создания не только выгодных внешних условий для привлечения инвестиций, но и конкурентоспособности технологий на мировых рынках. К сожалению, в настоящее время стоимость труда в РФ сравнялась со стоимостью труда в КНР, что однако не означает уменьшение актуальности ППТ для экономики РФ.

В публичном аналитическом докладе по развитию новых производственных технологий, представленном в октябре 2014 года Сколтехом, выделены четыре направления, формирующие облик перспективного производства в мире:

• 1)    компьютерные технологии для моделирования и производства деталей;

• 2)    промышленная и сервисная робототехника;

• 3)    аддитивное производство;

• 4)    новые материалы.

Аддитивные технологии (АТ) являются ППТ, которые могут повысить конкурентоспособность российской экономики и благосостояние граждан [4]. Однако, развитие только внутренних составляющих АТ (технологий и оборудования для получения порошкового материала, синтеза изделия и последующей постобработки без совершенствования сопутствующих направлений не позволяет получить максимального эффекта. Классический цикл разработки новых материалов при переходе на АТ требует пересмотра.

Концепция «Геном материала» позволяет консолидировать усилия по развитию направлений «новые материалы», «компьютерные технологии для моделирования и производства деталей» и «аддитивное производство» путем предоставления единого инструментария, способствующего достижению прорывных результатов за счет применения новых методов и подходов.

ГЕНОМ МАТЕРИАЛА –НОВАЯ ПАРАДИГМА ДЛЯ РАЗВИТИЯ ППТ

В июне 2011 года после речи президента США Обамы на сайте правительства США была представлена инициатива «Геном материала: глобальное превосходство», подготовленная Национальным советом по науке и технологии США.

MGI – набор инструментов, реализующих итеративную концепцию разработки новых материалов, которая позволяет снизить на 50% ре-сурсоемкость (время и стоимость) цикла [5]. Суть концепции состоит в непрерывном обмене информацией на разных стадиях разработки новых материалов не только в рамках одной предметной области (например, конструкционные или функциональные материалы), а для всех типов материалов (рис. 1). В США сформировано саморегулирующееся общество объединяющие ученых, занимающихся разработкой и коммерциализацией новых материалов по концепции MGI. Накопление массивов информации (Big data), представление инструментов для их использования и создания других инструментов обеспечивает переход из количества в качество. Принципы открытой архитектуры обеспечивает концентрацию новых идей именно в сообществе MGI.

Линейный цикл создания нового материала включает следующие стадии:

• 1)    разработка состава материала;

• 2)    оптимизация свойств материала;

• 3)    проектирование изделий из материала, включая технологии изготовления;

• 4)    испытания и сертификация материала;

• 5)    коммерциализация материала.

Итеративный цикл, предложенный в рамках концепции MGI, позволяет объединить отдельные этапы по разным направлениям для ускорения достижения результатов (рис. 1).

Необходимость применения нового подхода, реализующего итеративный цикл разработки новых материалов, подкрепляется примером развития ионно-литиевых батарей. Не смотря на прошедшее с момента открытия данного типа материалов время (70-е годы), их потенциал до сих пор не раскрыт, что, например, тормозит развитие электромобилей. Применение методов MGI позволило менее чем за полгода предсказать возможности синтеза более 400 материалов для батарей до непосредственного проведения экспериментальных исследований (при этом с 70-х годов предлагалось «всего» по 150 таких материалов ежегодно).

Формирование концепции MGI стало возможным благодаря успехам в области информационных технологий (IT) за последние 10 лет, а именно снижению стоимости передачи и хранения информации, повышению скорости передачи и обработки информации.

По мнению авторов, получение практикоориентированных результатов с использованием методов MGI возможно в среднесрочной перспективе, следовательно, изучив формат реализации MGI в США необходимо с учетом имеющегося опыта реализовывать собственную инициативу схожей концепции в РФ.

MGI В США

В июне 2014 года был опубликован стратегический план подкомитета по MGI (The Subcommittee on the Materials Genome Initiative, SMGI) технологического комитета национального научно-технологического совета США (The National Science and Technology Council’s Committee on Technology, NSTC) для обсуждения и принятия предложений [6]. В SMGI вошли NIST, DoE, NSF, DoD, NASA, NIH, USGS, DARPA в координации с национальной сетью нанотехнологической инфраструктуры (National Nanotechnology Infrastructure Network, NNIN). Итоговый документ пока не опубликован. Также MGI поддерживалась Департаментом Обороны США (DoD), Департаментом Энергетики (DoE), Национальным институтом Стандартов и Технологий (NIST) и NSF.

Рис. 1. Итеративная концепция разработки материалов

По проектам MGI поддержанным DoD имеется отрывочная информация, известно, что тематика курируется Центром материалов для экстремальных динамических сред (The Center for Materials in Extreme Dynamic Environments (CMEDE), включающим в свою очередь Университет Джона Хопкинса (John Hopkins University), лабораторию военных исследований (Army Research Laboratory) и 13 других организаций [7].

В открытых источниках присутствует информация только по поддержанным NSF проектам по программе «Разработка материалов для революции и инженерии нашего будущего» (DMREF). Обязательные условия для всех волн конкурса: два научных руководителя из одной или нескольких научных организаций.

Первые 14 проектов были запущены в 2012 году. Почти все проекты были выполнены в кооперации с минимум тремя соисполнителями («Collaboration projects»). Не смотря на скромный для США уровень финансирования первой волны DMREF (общий объем проектов примерно 13$ млн. на 14 проектов, со средним финансированием в 280$ тыс. в год на 3-4 года) проекты были представлены из совершенно разных сфер: от разработки пептидов и протеинов до функциональных/электронных/спинтронных кристаллов и конструкционных материалов (табл. 1). Некоторые (3 из 14 проектов) включали также внебюджетное финансирование через программу GOALI (аналог отечественной программы по Постановлению Правительства РФ №218): 2-3 коллектива одной или нескольких организаций при взаимодействии с индустриальным партнером выполняют междисциплинарный проект (общий объем привлеченных средств 5 млн. долл.).

В январе 2014 был объявлен второй конкурс (NSF 14-591) с объемом для каждого проекта 0,51,5 млн. долл. и общим финансированием в 22 млн. долл. В январе 2015 был объявлен третий конкурс (NSF 15-608), количество победителей увеличилось с 20 до 25, общий объем финансирования проектов около 30 млн. долл. (0.75-1.6 млн. долл. на проект).

Средний срок между объявлением конкурса и окончанием приема заявок составляет приблизительно один год, срок рассмотрения заявок – от 8 месяцев. Также внимание авторов привлек тот факт, что в конкурсной документации непосредственно перед любыми пояснениями приводится перечень изменений по сравнению с прошлой итерацией конкурса, многократно упрощающий процесс подготовки для участвующих в конкурсе повторно (в отечественных конкурсах подобное авторами не встречалось).

Приоритетными направлениями для отбора по конкурсу 2015 года являются:

• -    оптимизация технологий разработки сложных высокоразмерных фазовых пространств;

• -    эффективные методы анализа экспериментальных данных для определения взаимосвязи между свойствами различного уровня (например, между микроструктурой, химсоставом, обработкой и объемными свойствами);

Таблица 1. Перечень проектов, спонсированных NSF в рамках программы в первой волне конкурса DMREF

Название проекта		Руководители проектов	Организации
на английском языке	на русском языке
Nitride Discovery - Creating the Knowledge Base for Hard Coating Design1	Исследование нитридов -Создание базы знаний по методике нанесения износостойких покрытий	Sanjay Khare	University of Toledo
		Daniel Gall	Rensselaer Polytechnic Institute
Discovery, Development, and Deployment of High Temperature Coating/Substrate Systems2	Исследования, разработка и применение высокотемпературных систем «покрытие-подложка»	Tresa Pollock	University of California-Santa Barbara
Multi-Scale Modeling and Characterization of Twinning-Induced Plasticity and Fracture in Magnesium Alloys1	Многоуровневое моделирование и описание процессов деформирования и разрушения магниевых сплавов двойникованием	Sean Agnew	University of Virginia
		Haitham El Kadiri	Mississippi State University
		Mohammed Cherkaoui	Georgia Institute of Technology
Multi-Scale Fundamental Investigation of Sintering Anisotropy1	Многоуровневое фундаментальное исследование анизотропии при спекании	Rajendra Bordia	University of Washington
		Eugene Olevsky	San Diego State Universit
High Efficiency Hierarchical Thermoelectric Composites by Multiscale Materials Design and Development2	Многоуровневое проектирование и разработка высокоэффективных иерархических термоэлектрических композитов	Jihui Yang	University of Washington
Enhanced Functionalities in 5d Transition- Metal Compounds from Large Spin-Orbit Coupling1	Улучшение функциональности переходных металлов 5-го периода за счет сильного спин-орбитального взаимодействия	David Vanderbilt	Rutgers University
		Janice Musfeldt	University of Tennessee
First-Principles Based Design of Spintronic Materials and Devices1	Основные принципы разработки спинтронных материалов и устройств	William Butler	University of Alabama, Tuscaloosa
		Avik Ghosh	University of Virginia
Engineering Organic Glasses	Разработка аморфных органических материалов	Lian Yu	University of Wisconsin-Madison
High-Pressure Synthesis of Novel Oxynitride Photocatalysts Directed by Theory and In Situ Scattering	Синтез высокого давления оксинитридных фотокатализаторов на базе теоретических расчетов и исследований In Situ	John Parise	SUNY at Stony Brook
Multifunctional Interfacial Materials by Design	Разработка многофункциональных межфазных материалов	Chang-Beom Eom	University of Wisconsin-Madison
A Fundamental Approach to Study the Effect of Structural and Chemical Composition in Functionalized Graphene Materials	Фундаментальный подход к исследованию структурного и химического состава функциональных графеновых материалов	Horacio Espinosa	Northwestern University
Computational and Experimental Discovery and Development of Additives for Novel Polymer Morphology and Performance2	Численное и экспериментальное исследование и разработка добавок для новых полимерных структур и их свойств	Gregory Rutledge	Massachusetts Institute of Technology
Programmable Peptide- Based Hybrid Materials1	Программируемые гибридные материалы на основе пептидов	Darrin Pochan	University of Delaware
		Jeffery Saven	University of Pennsylvania
Simulation-Based Design of Functional Sub-nanometer Porous Membranes1	Моделирование и разработка функциональных субнанометровых пористых мембран	Sinan Keten	Northwestern University
		Ting Xu	University of California-Berkeley