材料科學與工程的典範移轉—兼論政府政策與內部研發策略

2011年美國國家科學技術委員會與科學技術辦公室共同發布了材料基因圖譜計畫(Materials Genome Initiative；MGI)，目的在於加速材料科學與工程的發展、降低開發成本。

過去一種新材料從開發到真正的應用與部署大概得花10~20年。這份白皮書以鋰電池材料為例，從70年代初就開始研發，90年代才開始有真正的市場應用。至今快50年過去了，鋰電池仍在持續演進中。MGI當初的目標就是要將這研發到部署應用的時程縮短至2~3年。

MGI用的方法是利用運算能力、資料管理和整合材料科學和工程，特別是材料資料庫的建立、開放的平台、軟體與演算法。這些集體的努力預期將大幅降低新材料應用的週期——發現、發展、性質優化、系統設計與整合、驗證、製造和部署。由於運算能力和數據庫的介入，這7個步驟有些可以直接略去或平行進行，省去不少時間和成本。

從白皮書問世迄今，快10年過去了，這個構想成功了沒？答案是yes and no。這10年來最負盛名的新材料是石墨烯，自2004年發現至今已15年，但目前像樣的應用還沒有。但是隨之而來的二維材料二硫屬化合物如MoS2、WSe2、 等卻立即融入奈米級電晶體的通道(channel)應用之中。

從這些例子中我們得到的啟示是，發現一種新材料要去找新應用比較沒有方向感，但是從特定需求尋找符合規格的新材料卻是機率甚高。再兼之運算能力的大幅增強，因此對於材料科學與工程的發展有了新想法。

這想法其實是苦功，但有現在的運算能力、方便的軟體及優秀的模型，研究機構對於新型態材料的開發已是類似建立元素週期表的地毯式搜索——藉現在資訊科技之力，「春風得意馬蹄疾，一日看盡長安花」。以鄰近的新加坡大學為例，2010建立的Graphene Research Center現在已改制為Center for Advanced 2D Materials，涵蓋了1,000多種二維材料的開發、研究、定性及實驗。歐盟的計畫則嘗試三元材料(ternary materials，3種原子組成的化合物)，藉以替代已瀕耗竭或稀有礦產，如行動機具常用的稀土族。

中國大陸於2016年也成立了Materials Genome Engineering計畫，雖然成立較美國晚5年，但是大陸材料科學每年發表的論文數已是第二名美國的2倍以上，材料資料庫的建立速度只有更快。

由於材料科學基礎建設的變化，慢慢的產業的研發行為也受到影響。材料科學的知識是現代許多產業創新的根源，像是能源、生物醫學、航太、國防等，特別是半導體產業。沒有這些類似MGI國家機構支援的私人企業於需要材料科學知識投入研發時，好似Children of Lesser God。據我所知，台灣沒有類似機構，我們內部的規模也不夠大、無以自足，但是我們對材料科學的需求殷切的程度絲毫不亞於上述國家，我們的對策是什麼？加入某一大陣營？或者與我們處境相似的國家結盟成軍？

企業內部研發的方法也開始發生變化。我剛入半導體業時，一聽製程叫recipe，有點啼笑皆非的感覺。對我來說，recipe是蔥一把、鹽少許非常主觀的工藝。讀施敏的書講為什麼退火要375度？只有天知道。要試新配方，只能靠工程批分批再分批，多次、分流地跑，既耗時又費錢。現在材料科學的發達讓模擬及虛擬測試變得可行，讓上述的7個新材料開發程序大幅縮短。岔一句話，如果現在半導體廠研發部門中沒有first principles calculation的人，可能已經落伍了！