超級電腦煉金術

科學家借助電腦與量子力學方程式，模擬新材料並調整其性質，最終在實驗室裡製作出夢幻材料。

重點提要

■製作晶片的矽和製作光纖的玻璃等工程材料，是現代化生活的基礎。不過設計新材料以往一向只能依靠猜測，效率低落又令人洩氣。

■超級電腦運用簡化過的量子力學方程式，同時模擬測試數千種材料，排除了許多猜測的過程。

■現在研究人員運用「高通量運算材料設計法」，研發出新型電池、太陽能電池、燃料電池、電腦晶片及其他許多科技產品。

碳化棉線做為燈絲的燈泡取得專利，報章雜誌把這種燈泡稱為「偉大發明家在電力照明領域的勝利」。不過，當時其實還有更好的燈絲材料。20世紀初，另一位美國發明家改良鎢製燈絲，直至今日，白熾燈泡仍然使用這種燈絲，愛迪生的棉線則成為歷史。

材料科學是把物質改變成有用、新形式的過程，從愛迪生時代至今已有長足的進展。量子力學讓科學家深入了解物質的特性，因此更能依據理論進行研究，而不是完全依靠猜測。然而，材料開發一向曠日廢時、成本高昂。許多企業投注數十億美元設計新型材料，但成功比例不高，而且材料屬性往往相當分散。研究人員依據直覺和經驗提出新構想，但合成並測試這些構想則是漫長又辛苦的反覆試驗過程。評估一種新材料往往需要花費數個月的時間，而且最後大多徒勞無功。任職於美國麻省理工學院（MIT）的伊加（Thomas Eagar）發現，一種新材料平均要花費15~20年，才能從實驗室測試階段進入商業應用。舉例來說，索尼（Sony）於1991年宣佈鋰電池商業化時，看來似乎是突然出現的重大進展，但事實上是數百乃至數千名電池研究人員花費近20年光陰跌跌撞撞、走走停停，才走到這一步。

不過，材料科學即將面臨重大革新。現在我們能夠運用一個世紀以來物理學及電腦科學的進展，超越愛迪生式的材料研發過程。電腦處理能力的快速進步，加上柯恩（Walter Kohn）與波普（John Pople）於1960與1970年代研究量子力學方程式，得出簡化但相當精確的解，讓我們得以使用超級電腦及物理學中的第一原理（編按：係指完全由量子力學理論推導而得，在計算過程中不需要實驗提供數據，便可求解薛丁格方程式的方法），從零開始設計新材料。這項稱為「高通量運算材料設計法」的原始構想相當簡單：運用超級電腦同時研究數百甚至數千種化合物，快速又有效地找出新材料的最佳組成元素，用於製作電池電極、合金或新型半導體等。

許多材料都由多種化合物組成，電池的電極就是個很好的例子，它是由數種化合物組成的複合材料。不過有些材料卻簡單得多，被頌揚為電子產品未來希望的石墨烯，就是厚度僅一顆原子的碳片。不論材料組成的複雜程度如何，有一點絕對是確定的：材料的密度、硬度、光澤、導電率等性質，都取決於組成原子的量子特性。因此，高通量材料設計法的第一步是執行數千次量子力學計算，以虛擬方式「養出」新材料。超級電腦把虛擬的原子排列成數百甚至數千種虛擬的晶體結構。接下來，我們要計算這些虛擬化合物的性質。這些晶體結構是什麼模樣？它們的剛度如何？吸收光的能力如何？我們使它們變形時會出現什麼狀況？它們是絕緣體還是金屬？我們設定電腦，篩選出具有特定性質的化合物，不久之後，電腦就會列出可能符合需求的化合物。這些推演結束時，研究過程中產生的資料會放回資料庫，供研究人員日後檢索。

從2011年到現在，我們率領一群研究人員攜手合作，希望加快這個由電腦主導的材料革新步調。我們把這次行動稱為「材料計畫」，目標是建立免費、開放的資料庫，蒐羅所有已知無機化合物的基本熱力學和電子性質。現在我們已經計算出自然界中約3萬5000種已知無機材料的基礎性質（晶體結構排列、導體或絕緣體、光的傳播等）。另外，我們還計算了僅存在理論中數千種化合物的性質。目前為止，已有數千名科學家註冊並使用這個資料庫，而且用它來設計新材料，例如新型電池、太陽能電池和其他科技產品。

追求這個目標的不只有我們。杜克大學的庫爾塔羅洛（Stefano Curtarolo）帶領的一群研究人員已經計算出數萬種合金系統，他們的研究將可帶來更輕、更堅固的車架、摩天大樓用的結構樑以及飛機蒙皮等。「量子材料資訊學計畫」成員包含美國阿崗國家實驗室、史丹佛大學和丹麥科技大學的研究人員，也採用高通量運算法來研究金屬表面上的催化過程，這個主題對能源研究而言格外有用。

在不久的未來，材料科學家將運用高通量運算法來設計各種材料。我們認為它將帶來使世界改觀的新科技，這些突破將改變電腦運算、消除污染、產生用之不竭的乾淨能源，並以現在難以想像的方式改善我們的生活。