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材料科学大爆发之际台湾的策略

  • 林育中
新材料的应用遍地开花。以应用潜力最广的石墨烯为例,虽然有许多特性及可能的应用被发觉出来,但离大规模的应用还需假以时日。(source: AlexanderAlUS)

在人工智能与基因编辑之外,如果要挑一个对现代文明以及产业发展有重大影响力的领域,我的选择会是材料科学,这是一个多学科汇集努力的焦点。

有统计为证。在进入全球影响因子(IMF;Impact Factor)前十名的期刊中,有6种是关于生医的,1种是化学《Chemical Reviews》、1种是全科的《Nature》、1种是纳米科技《Nanotechnology》、另1种就是材料科学《Nature Materials》。纳米科技讲求操控原、分子的方法,与材料科学注重物性虽然有重点的差异,却也有重迭之处。用影响因子来评估一个人的学术成就可能失之武断-即使爱因斯坦在今日可能很不容易找1种IMF大于10的期刊来发表,但是用来评估一个领域的社群大小以及研究的活跃程度大致没有太大争议,所以材料科学是近年来科学研究投入的第二大显学。

材料科学近年来的快速进展当然依赖各学科多方面的同时开展,但有一个和人工智能的大爆发是相同的:计算能力的大幅跃升。这使得从薛汀格方程序的第一原理(first principles) 精确预测材料的电、磁、光、热、压等性质成有可能。现在的材料开发团队中大抵有几个理论学者、几个负责第一原理计算以及一个实验群,由于有能力先以理论和数值计算做地毯式的查找,所以实验几乎是有发必中。信不?这一研发体制也慢慢移转至产业界,譬如有新材料研发的晶圆厂也开始聘用第一原理计算的工程师以缩短开发时程与降低工程批的费用。

新材料的应用遍地开花。譬如在《2017十大新兴科技 台湾何处著力?》一文中用以储水的金属有机架构(Metal-Organic Frameworks;MOFs)除了物质极佳的亲水性外,另外它的海绵状结构也最大限度提供了吸附水的可用面积-一个方糖大小的MOFs内部的表面积大概有足球场这么大;在燃氢汽车中开发钯、镍、铜等合金,替代氢燃烧触媒贵金属白金以大幅降低成本,使得燃氢无污染汔车得以早日商用;在MRAM中磁穿隧结(Magnetic Tunnel Junction)的绝缘层原先使用号称理想绝缘体的三氧化二铝(Al2O3),为了增加铁磁层的稳定性,改用氧化镁(MgO),可以举的例子至少还有千百个。

由这些即将步入应用的例子来看,材料科学所引发的应用型态有两个特色:一,每种材料有其特性,除极少数材料外,单一新材料的应用都局限在一个特定领域。这与人工智能与基因编辑的特性-一种技术、广泛应用-很不相同。二,新材料开发后,从科学的发现到可商用的技术需要一段努力。以应用潜力最广的石墨烯(graphene)为例,自2004年发现迄今,虽然有许多特性及可能的应用被发觉出来,但离大规模的应用还需假以时日。

由于这两个特性,应用繁多但市场细碎、每一项至商用要投入相当的工程研发,这不是大国、大公司的理想市场,没有单一国家或公司能够完整涵盖整个领域。台湾于其中,依托既有的优势产业、精挑细这几个个别领域,有可能抢得先机,也够酒足饭饱了。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。