資訊科技

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。

撰文/希德(Gerbrand Ceder)、波爾森(Kristin Persson)
翻譯/甘錫安

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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。

撰文/希德(Gerbrand Ceder)、波爾森(Kristin Persson)
翻譯/甘錫安

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。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2014年第143期1月號】



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