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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。
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