1878年，托馬斯·愛迪生著手改造電燈照明。為了開發適合室內使用的小型燈泡，他必須找到一種持久耐用、低熱、低功耗的照明元件。在很大程度上憑直覺的引導下，他開始測試數千種碳質材料——黃楊木、椰子殼、從他的實驗室助理的鬍鬚上剪下的毛髮。經過14個月的努力，他為一種使用碳化棉線製成的燈絲的燈泡申請了專利。新聞界將其譽為“偉大發明家在電力照明領域的勝利”。然而，還有更好的燈絲材料。在本世紀初，另一位美國發明家完善了鎢絲燈絲，我們今天仍然在白熾燈泡中使用它。愛迪生的棉線成為了歷史。
材料科學，即將物質工程化為新的和有用的形式的過程，自愛迪生時代以來已經取得了長足的進步。量子力學使科學家們對物質的行為有了深刻的理解，因此，他們能夠更多地用理論而不是猜測來指導研究。然而，材料開發仍然是一個極其漫長且成本高昂的過程。公司投入數十億美元設計新材料，但成功案例寥寥無幾。研究人員根據直覺和經驗思考新想法；合成和測試這些想法涉及大量的試驗和錯誤。評估一種新材料可能需要數月時間，而且結果通常是負面的。正如我們的麻省理工學院同事托馬斯·伊格爾發現的那樣，即使是一種成功的材料，從實驗室測試到商業應用也平均需要15到20年的時間。例如，當索尼在1991年宣佈鋰離子電池商業化時，這看起來像是一個突然的、巨大的進步——但事實上，數百或數千名電池研究人員經歷了近二十年的磕磕絆絆、停滯不前的進步才達到那個地步。
然而，材料科學正處於一場革命的邊緣。我們現在可以利用一個世紀以來物理學和計算領域的進步，超越愛迪生式的過程。計算機處理能力的指數級增長，加上沃爾特·科恩和已故的約翰·波普爾在20世紀60年代和70年代所做的工作，他們開發了量子力學方程的簡化但精確的解法，使得使用超級計算機和第一性原理物理學從頭開始設計新材料成為可能。這項技術被稱為高通量計算材料設計，其思想很簡單：使用超級計算機一次性虛擬研究數百或數千種化合物，快速有效地尋找新材料的最佳構建模組，無論是電池電極、金屬合金還是新型半導體。
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大多數材料由多種化合物組成——電池電極是幾種化合物的複合材料，就是一個很好的例子——但有些材料要簡單得多。石墨烯，這種被廣泛宣傳為電子產品未來的材料，由一層原子厚的碳片組成。無論材料的複雜程度如何，有一件事始終是正確的：它的屬性——密度、硬度、光澤度、導電性——都由構成它的原子的量子特性決定。因此，高通量材料設計的第一步是虛擬“生長”新材料，方法是進行數千次量子力學計算。超級計算機將虛擬原子排列成數百或數千個虛擬晶體結構。接下來，我們計算這些虛擬化合物的性質。晶體結構看起來像什麼？它們有多硬？它們如何吸收光？當你使它們變形時會發生什麼？它們是絕緣體還是金屬？我們命令計算機篩選具有特定理想性質的化合物，不久之後，有前景的化合物就會脫穎而出。在該過程結束時，調查期間生成的資料將返回到資料庫中，供研究人員將來挖掘。
自2011年以來，我們一直領導著一個旨在加速計算機驅動的材料革命的研究人員合作專案。我們稱之為材料專案。目標是建立免費、開放存取的資料庫，其中包含所有已知無機化合物的基本熱力學和電子性質。迄今為止，我們已經計算了自然界中已知的約35,000種無機材料的基本性質（晶體結構的排列、它是導體還是絕緣體、它如何導光等等）。我們還計算了另外幾千種僅存在於理論中的材料的性質。到目前為止，已有約5,000名科學家註冊訪問包含此資訊的資料庫，他們一直在使用它來設計用於太陽能電池、電池和其他技術的新材料。
我們並不是唯一採用這種方法的人。由杜克大學的斯特凡諾·科爾塔羅洛領導的一個研究人員聯盟已經計算了數萬個合金系統；他們的研究可能會產生更輕、更堅固的汽車車架、摩天大樓的結構梁、飛機蒙皮等等。量子材料資訊學專案由阿貢國家實驗室、斯坦福大學和丹麥技術大學的研究人員組成，一直在使用高通量計算來研究金屬表面的催化過程，這在能源研究中特別有用。
在不久的將來，材料科學家將使用高通量計算來設計幾乎所有東西。我們相信，這將帶來重塑我們世界的技術——突破將改變計算、消除汙染、產生豐富的清潔能源，並以今天難以想象的方式改善我們的生活。
材料基因組
現代世界建立在材料科學成功的基礎上。透明導電玻璃的出現促成了智慧手機上的觸控式螢幕。這些手機能夠以光速在全球範圍內傳輸資訊的原因是，材料科學家找到了一種製造不含雜質離子的玻璃的方法，從而實現了光纖通訊。這些手機一次充電可以使用一整天的原因是，在20世紀70年代和80年代，材料科學家開發了新型的鋰儲存氧化物材料——鋰離子電池的基礎。
正是我們在電池方面的工作首先將我們帶入了高通量材料設計領域。我們一生都在從事計算材料設計，但直到2005年與寶潔公司 (P&G) 的高管進行了一次對話，我們才開始思考世界上最強大的超級計算機能夠實現什麼。這些寶潔公司的高管希望為他們的金霸王部門生產的鹼性電池找到更好的正極材料。他們問了我們一個令人驚訝的問題：是否有可能計算篩選所有已知的化合物以尋找更好的材料？經過思考，我們意識到唯一的真正障礙是計算時間和金錢。他們很樂意提供這兩者。他們為該專案投入了100萬美元，並讓我們的團隊自由支配他們的超級計算中心。
我們稱我們的工作為鹼性專案。我們篩選了130,000種真實和假設的化合物，並向寶潔公司提供了一份包含200種符合該公司要求的標準的清單，所有這些化合物都具有比其當前化學物質顯著改善的潛力。到那時，我們確信高通量材料設計是我們領域的未來。我們增加了員工，籌集了資源，並在2011年啟動了麻省理工學院和勞倫斯伯克利國家實驗室之間的合作，我們最初稱之為材料基因組專案。加州大學伯克利分校、杜克大學、威斯康星大學麥迪遜分校、肯塔基大學、比利時魯汶天主教大學和其他機構的團隊隨後加入了這項工作，他們都將他們生成的資料貢獻到我們在勞倫斯伯克利的免費、開放存取的中央資料儲存庫。
不久之後，我們從專案名稱中刪除了“基因組”，以將其與白宮科技政策辦公室正在啟動的一項倡議區分開來。公平地說，化合物的性質並不是真正的“基因”——它們不是提供唯一資料序列的遺傳資訊位。然而，材料的功能或性質與其基本描述符之間存在直接關係。正如藍眼睛可以與某個基因相關聯一樣，例如，材料的導電性可以追溯到構成它的元素的性質和排列。
這些型別的相關性是材料科學的基礎。這是一個簡單的例子：我們知道我們可以透過將目標缺陷引入礦物的晶體結構來“調整”礦物的顏色。以紅寶石為例。它的紅色色調來自普通礦物剛玉 (Al2O3) 中意外的1%的鉻離子 (Cr3+) 替代。當 Cr3+ 被強行置於這種環境中時，其電子態會發生改變，從而改變材料吸收和發射光的方式。一旦我們知道了性質的起源——基本描述符（在本例中為紅寶石的紅色），我們就可以用合成方法來針對它。透過調整這些化學缺陷，我們可以設計出具有完美調整顏色的新型合成紅寶石。
量子力學方程可以告訴我們如何進行這種調整——使用哪些元素以及如何排列它們。然而，這些方程非常複雜，實際上只能透過計算機求解。假設您想篩選一組數百種化合物，看看哪些化合物具有您需要的性質。計算這些方程需要令人難以置信的計算能力。直到最近，這根本是不可能的，這就是為什麼歷史上如此多的材料科學是透過試驗和錯誤進行的。然而，現在我們有了計算能力，我們終於可以利用量子力學的全部預測潛力。
假設我們正在研究溫差電材料，如果它們經歷較大的溫度梯度，就會產生電流。（反之亦然：如果您向溫差電材料通入電流，它可以維持溫差；想想即時冷卻。）社會透過燃燒、工業加工和製冷浪費了大量的熱量。如果我們有高效、廉價且穩定的溫差電材料，我們可以捕獲這些熱量並將其重新用作電力。溫差電裝置可以將工業廢熱轉化為電力為工廠供電。來自汽車排氣管的熱量可以為駕駛艙內的電子裝置供電。溫差電也可以提供按需固態冷卻：我們可以編織到衣服中的小型裝置，只需撥動開關即可為我們降溫，無需風扇或壓縮機。
我們今天知道的最好的溫差電材料之一是碲化鉛，但它毒性太大且價格昂貴，無法商業使用。假設您是一位研究人員，正在尋找更好的溫差電材料。如果沒有高通量計算，情況會是這樣的：您首先會尋找已知的化合物，這些化合物像碲化鉛一樣，具有較高的塞貝克係數（衡量您輸入的溫差可以輸出多少電力的指標），但與碲化鉛不同，它們不是由稀有、有毒或昂貴的元素製成的。您會仔細研究表格並比較數字。如果您幸運的話，您會提出一些候選化學物質，從理論上講，這些化學物質似乎可以發揮作用。然後您會在實驗室中製造這些化合物。物理合成材料是一項昂貴、耗時且困難的工作。通常，您事先不知道新材料是否穩定。如果穩定，您只能在合成化合物後測量其性質，然後重複該過程，直到您獲得相當純淨的樣品。每種化合物可能需要數月時間。
到目前為止，研究人員還沒有運氣找到替代溫差電材料。但他們尚未嘗試高通量計算材料設計。這種情況很快就會改變。從今年開始，我們將開始與加州理工學院和其他五個機構的研究人員合作，進行高通量搜尋，尋找新的溫差電材料。我們打算堅持不懈，直到找到可以使那些節能、奇蹟冷卻技術成為現實的化合物。
材料設計的黃金時代
我們以自動化方式訪問、搜尋、篩選和比較材料資料的能力還處於起步階段。隨著這個領域的發展，它會產生什麼？我們不妨做一些猜測。
許多有希望的清潔能源技術正在等待先進材料變得可行。光催化化合物（如二氧化鈦）可用於將陽光和水轉化為氧氣和氫氣，然後可以將其加工成液體燃料。其他光催化劑可以用二氧化碳做同樣的事情。夢想是“人造葉子”，它可以將陽光和空氣轉化為甲醇類液體燃料，我們可以在汽車和飛機中燃燒這些燃料 [參見 Antonio Regalado 的《重塑葉子》；《大眾科學》，2010年10月]。美國能源部研究中心——人工光合作用聯合中心的研究人員正在使用高通量方法來尋找可以使這項技術可行的材料。
那麼為汽車和飛機尋找新的金屬合金呢？將車輛重量減少10%可以提高6%到8%的燃油經濟性。美國工業界每年已經在金屬和合金製造的研發上投入數十億美元。計算機引導的材料設計可以使這項投資成倍增加。高強度、輕質和可回收合金的重大進展將透過提高運輸和建築領域的能源效率對世界經濟產生巨大影響。
計算是另一個需要變革性材料的領域。最近，我們看到了許多關於摩爾定律即將終結的嚴肅預測，摩爾定律指出，計算能力大約每兩年翻一番。我們早就知道矽不是最好的半導體。它只是恰好儲量豐富且易於理解。什麼能更好地工作？關鍵是找到可以快速從導電狀態切換到絕緣狀態的材料。加州大學洛杉磯分校的一個團隊用石墨烯製造了極快的電晶體。與此同時，斯坦福大學的一個小組報告稱，他們可以在萬億分之一秒內翻轉磁鐵礦中的電開關——比目前使用的電晶體快數千倍。高通量材料設計將使我們能夠篩選這些可能性。
這個清單還很長。研究人員正在使用計算材料設計來開發新的超導體、催化劑和閃爍體材料。這三件事將改變資訊科技、碳捕獲和封存以及核材料的探測。
計算機驅動的材料設計也可能產生難以想象的突破。也許我們可以發明一種基於矽而不是碳的新型液體燃料，它將比汽油提供更多的能量，同時產生環境友好的反應產物，如沙子和水。人們已經談論這個想法幾十年了，但沒有人找到可行的配方。高通量材料設計至少可以告訴我們這種事情是否可能，或者我們是否應該將精力集中在其他地方。
所有這一切都是我們相信我們正在進入材料設計的黃金時代的原因。強大的計算能力使人類比以往任何時候都更有能力將原材料轉化為有用的技術。這也是一件好事。為了幫助我們應對日益變暖、日益擁擠的地球所帶來的挑戰，這個黃金時代越早開始越好。