1878年,愛迪生(Thomas Edison)著手改良電燈。為了研發出適合室內使用的小型燈泡,他必須尋找壽命長、發熱量少、耗電量低的照明元件。他大多憑直覺猜測材料性質,並著手測試數千種碳質材料,包括黃楊木、椰子殼,以及從實驗助理臉上剪下的鬍鬚等。14個月之後,他以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。
作者簡介:
《科學人》
遠流出版公司於2002年3月發行Scientific American中文版──《科學人》雜誌,除了翻譯原有文章更致力於本土科學發展與關懷。
我們希望《科學人》所搭建的知識平台,能把求真講理的科學精神擴散出去,讓科學與科學、科學與人文找到一個對話的窗口
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章節試閱
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。
撰文/希德(Gerbrand Ceder)、波爾森(Kristin Persson)
翻譯/甘錫安
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】
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。
撰文/希德(Gerbrand Ceder)、波爾森(Kristin Persson)
翻譯/甘錫安
碳...
作者序
【編者的話】
古代術士以各種丹藥、金屬為材料,或燒煮、或熔融⋯⋯嘗試各種複雜的程序,只為了煉製黃金。現代科學家已經窮究了化學元素的組成與性質,還能玩出什麼新把戲嗎?
可以的。奈米現象大家已經耳熟能詳,量子力學更讓科學家可以深入了解材料的特性。以現有的化學元素就可組合出無限多種化合物的複合材料,將能應用於各種科技產品、解決各式各樣的問題。但是,誰有錢、有時間去一一完成每一種新材料?再一一進行測試?超級電腦的超強運算能力,正可以在虛擬世界建構晶體結構、計算出合金的性質,而這些資料可存放於資料庫中,供全世界的科學家取用。
材料科學的創新時代就要來臨,原先只存在於想像中的夢幻材料就要實現!本期《科學人》雜誌〈夢幻材料真未來〉以〈超級電腦煉金術〉為首,並另外介紹九個創新科研突破,包括超材料、積木式複合材料、光通訊材料、軟式顯示器材料⋯⋯敬請拭目以待!
化石證據顯示,古代非洲孕育著多樣的食肉動物,然而在200多萬年前,許多大型食肉動物忽然消失。這個時間點和人類祖先開始吃肉剛好吻合!人類到底吃了什麼?〈萬獸之王〉告訴你,人類怎麼會吃掉食肉動物的多樣性?網路上、資料庫裡的數據持續累積,這些資訊都是科學研究的好材料,也是做生意的好線索。但是〈巨量資料下誰有隱私?〉,值得我們一起深思。
【編者的話】
古代術士以各種丹藥、金屬為材料,或燒煮、或熔融⋯⋯嘗試各種複雜的程序,只為了煉製黃金。現代科學家已經窮究了化學元素的組成與性質,還能玩出什麼新把戲嗎?
可以的。奈米現象大家已經耳熟能詳,量子力學更讓科學家可以深入了解材料的特性。以現有的化學元素就可組合出無限多種化合物的複合材料,將能應用於各種科技產品、解決各式各樣的問題。但是,誰有錢、有時間去一一完成每一種新材料?再一一進行測試?超級電腦的超強運算能力,正可以在虛擬世界建構晶體結構、計算出合金的性質,而這些資料可存放於資料庫中,供全...
目錄
科技創新
32 夢幻材料真未來
你想過機器人能柔軟地鑽入坍塌地道中拯救生命嗎?把二氧化碳變成岩石,減緩全球暖化?把螢幕捲在手臂上?…
…10項科學妙點子即將改變我們的生活。
34 超級電腦煉金術
文/希德(Gerbrand Ceder)、波爾森(Kristin Persson)
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。
二氧化碳變岩石
樂高積木式複合材料
仿生機器人完成超級任務
新一代光通訊材料
腸道微生物也能對抗疾病
新型晶片防止巨量資料外洩
藥檢箱迅速偵測假藥
平板電腦捲起來放口袋
拯救50萬名新生兒的生命
材料科學
48 以大自然為師—仿生材料
文/陳柏宇、劉冠麟
更強、更韌、更輕的材料是工程師的夢想,這樣的材料在大自然中比比皆是,現在科學家要做的就是複製這些材料
的特性。
天文物理
52 等待超新星微中子
文/賈雅沃德哈納(Ray Jayawardhana)
天文物理學家正準備迎接我們星系裡恆星爆炸產生的微中子,並希望這些次原子粒子能讓我們深刻了解恆星的死亡
歷程。
天文物理
58 極亮超新星閃耀之謎
文/黃麗錦
質量重於100太陽質量的巨型恆星爆炸時,比超新星亮上百倍。這種巨型恆星的發現,使得天文學家更有機會了解宇
宙第一代恆星以及如何產生最初的金屬元素。
演 化
62 萬獸之王
文/韋德林(Lars Werdelin)
非洲曾經棲息著許多大型食肉動物,種類比今日多了很多。後來早期人類出現了,與牠們競爭獵物,很可能導致大
型食肉動物種類大幅減少。
資訊科學
68 巨量資料下誰有隱私?
文/藍尼爾(Jaron Lanier)
在現今的資訊時代中,握擁巨量資料也等同於握擁權力,然而個人隱私又將如何顧及?使用者付費或許是個方法。
醫 學
76 TAG癌細胞
文/強生(George Johnson)
10多年來,癌症研究人員發現,癌化程序不只是基因突變而已,癌症的成因,比原本想像的還要複雜。
醫 學
80 擁抱自閉兒的明天
文/藍吉(Nicholas Lange)、麥道格(Christopher J. McDougle)
自閉症目前仍無法治癒,但研究顯示,早期療育和藥物治療有助於增進自閉兒的社會互動能力,在尋找病因上,遺
傳研究也已經有新的斬獲。
能源科技
86 俄羅斯核能新帝國
文/柯南特(Eve Conant)
俄羅斯企圖復興前蘇聯核能帝國的榮光?俄羅斯聯邦積極把核反應器推銷到世界各地,引發不少安全疑慮。
科學藝術
92 用鏡頭寫下科學的詩
科學之美難以用文字述說,於是用鏡頭來寫。讓我們一同欣賞「2013驚豔.新視野」科學攝影比賽佳作選。
科學人觀點
6 我們都是www.浮士德
文/曾志朗
總編輯的話
8 豬籠草的誘惑
文/李家維
10 讀者論壇
科學人新聞
12
重新連結
仿生機械義肢
高中生也能研發新流感藥物
歡迎昆蟲,蜘蛛別來!
小黑猩猩學習融洽嬉戲
等待「微中子不出現」
銀河系的蹺家恆星
伺機而動的細菌
禮讚古怪科學研究
沙漠中的圓形農田
稀有加州扁柏數量漸增
虛擬足球物理學
魚兒魚兒跟著夥伴游
克卜勒太空望遠鏡的第二春
感測器變身彩色積木
形上集
22 隱密的方程式與隱密的對稱(一)
文/高涌泉
網路不打烊
24 網路世代的分心危機
文/張寶芳
不可勝數
26 再論汽車與山羊問題
文/黃文璋
專家看新聞
28 美國腦力正在大量輸出
文/雷維(Harold O. Levy)
健康與科學
30 窺探阿茲海默症大腦
文/陳英菲(Ingfei Chen)
資訊世界
96 積木手機只是噱頭
文/波哥(David Pogue)
真真假假
97 上帝將死?
文/薛莫(Michael Shermer)
反重力思考
98 笨蛋型手機
文/米爾斯基(Steve Mirsky)
生物手記
100 來自海洋的紅色美食——龍鬚菜
文/林綉美
科學人書摘
102 解開冰封長毛象身世
文/摘自《長毛象寶寶:穿越時空大現形》
在家玩科學
106 氣墊船如何飄浮?
圖表會說話
108 蜂兒何處去?
文/菲謝蒂(Mark Fischetti)
科技創新
32 夢幻材料真未來
你想過機器人能柔軟地鑽入坍塌地道中拯救生命嗎?把二氧化碳變成岩石,減緩全球暖化?把螢幕捲在手臂上?…
…10項科學妙點子即將改變我們的生活。
34 超級電腦煉金術
文/希德(Gerbrand Ceder)、波爾森(Kristin Persson)
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。
二氧化碳變岩石
樂高積木式複合材料
仿生機器人完成超級任務
新一代光通訊材料
腸道微生物也能對抗疾病
新型晶片防止巨量資料外洩
藥檢箱迅速偵測假藥
平板電腦捲起來放口袋
拯救50萬名新...
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