新材料哺育新發(fā)明。Gorilla Glass 已經(jīng)大量被應(yīng)用于智能手機(jī);凱夫拉在拯救生命之余開始進(jìn)入消費(fèi)級產(chǎn)品;鋰離子電池技術(shù)為高能耗設(shè)施提供了動(dòng)力來源。但是，研發(fā)新材料卻是一項(xiàng)極其費(fèi)時(shí)費(fèi)力的任務(wù)。

創(chuàng)造一種全新的突破性材料是極其費(fèi)時(shí)的過程 – 尤其是和那些依賴這些材料的產(chǎn)品的研發(fā)周期相比。波音 787 夢幻客機(jī)從概念到商業(yè)航行只花了 9 年不到;蘋果從 2005 年開始設(shè)計(jì) iPhone，2007 年就可以正式上市。作為對比，新型材料的誕生可能要花上長達(dá) 20 年的研究和實(shí)驗(yàn)。

兩年前，美國政府以突破這個(gè)科技瓶頸為目標(biāo)，成立了Materials Genome Initiative(MGI)項(xiàng)目。MGI 的目標(biāo)是大幅減少新材料研發(fā)所需的時(shí)間和財(cái)力投入。和人類基因組計(jì)劃為我們的基因繪制地圖的任務(wù)類似，科學(xué)家想要通過 MGI 找出元素間的互相作用對材料的種類和性質(zhì)帶來的廣泛影響。以這些知識作為基礎(chǔ)，科學(xué)家和工程師們將有希望以更短的周期為不同應(yīng)用“定制”相應(yīng)的材料。

元素間排列組合的數(shù)目多如牛毛，其中大多數(shù)對我們來說沒有意義。而試圖在實(shí)驗(yàn)室里窮盡這些排列組合是完全不合實(shí)際的。所以，MGI 的一些項(xiàng)目組已經(jīng)開始借助大數(shù)據(jù)的力量來模擬所有的可能性，然后通過分析數(shù)據(jù)向有潛力的方向進(jìn)行深入研究。

成立多年以來，MGI 促成了一些第三方項(xiàng)目的合作。其中就有來自麻省理工學(xué)院的Materials Project和哈佛的Clean Energy Project。這兩個(gè)計(jì)劃以相似的理論基礎(chǔ)尋求不同的答案。前者的研究集中在無機(jī)固體上，尤其以電池材料為主，而后者的清潔能源計(jì)劃以可用于太陽能電池的分子材料為中心。兩者均利用密度泛函理論(Density Functional Theory)收集的巨型數(shù)據(jù)庫來預(yù)測模擬物質(zhì)模型的實(shí)際屬性。

MIT 的 Material Project 大約在 8 年前在 Gerbrand Ceder 教授的幫助下成立。作為多家公司的顧問，Ceder 積累了大量成果。但是和少數(shù)公司的合作使得這些寶貴數(shù)據(jù)被封閉起來。“如果我們向所有人提供這些數(shù)據(jù)，人們會創(chuàng)造出很多驚人的成果，這就是 Materials Project，”他說。目前， MIT 的數(shù)據(jù)庫里保存了大約 10 萬種已知或理論上的材料信息。為了充分發(fā)揮這些數(shù)據(jù)在新材料研發(fā)中的作用，MIT 學(xué)者用人工篩選加機(jī)器學(xué)習(xí)的方式來探索各種化學(xué)定律。

類似的，哈佛清潔能源計(jì)劃也用人工加機(jī)器組合來探索其數(shù)據(jù)庫。該計(jì)劃始于一次對有機(jī)太陽能電池材料概念的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。學(xué)者們完全虛擬的情況下計(jì)算了大約 15 種新型混合物在現(xiàn)實(shí)世界里的表現(xiàn)。模擬運(yùn)算的最終結(jié)果是一種有超強(qiáng)電氣性質(zhì)的新物質(zhì)。這還只是一名研究生通過幾次實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，想象如果從一支志愿者大軍那兒借來他們的運(yùn)算能力，結(jié)果會放大多少?

這正是清潔能源計(jì)劃如今采用的策略：任何人都可以通過在電腦上下載一個(gè)程度來進(jìn)行運(yùn)算并把返還結(jié)果。有了這個(gè)可任意支配的巨大資源，學(xué)者們已經(jīng)計(jì)算了幾百萬種潛在組合 – 這僅僅是個(gè)開端。“項(xiàng)目進(jìn)入了一個(gè)十分有趣的階段”Hachmann 博士說，“對我們來說差不多是從辛勤勞動(dòng)中采集碩果的時(shí)候了。”目前，哈佛在網(wǎng)上發(fā)布了230萬種混合物組合供所有人研究使用。雖然這些數(shù)據(jù)的初衷是助力太陽能電池的研發(fā)，科學(xué)家也可用任何有價(jià)值的信息來幫助其它方面的研究。MIT 也有個(gè)網(wǎng)絡(luò)入口供人們讀取 Materials Project 的數(shù)據(jù)。

Ceder 希望偉大的 MGI 計(jì)劃能夠完成它的使命。事實(shí)上，Ceder 已經(jīng)看到一些成果了，他正在為一項(xiàng)新的電池材料申請專利，這對于成長中的 MGI 和電池技術(shù)開發(fā)來說都是很好的成績。Ceder 認(rèn)為互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的加入能為這個(gè)計(jì)劃帶來無法預(yù)知的進(jìn)步和發(fā)現(xiàn)，“當(dāng)擁有這種組合的時(shí)候，你無法預(yù)測人們將會帶給你什么。”

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