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材料科學大爆發之際台灣的策略

  • 林育中

新材料的應用遍地開花。以應用潛力最廣的石墨烯為例,雖然有許多特性及可能的應用被發覺出來,但離大規模的應用還需假以時日。(source: AlexanderAlUS)

在人工智慧與基因編輯之外,如果要挑一個對現代文明以及產業發展有重大影響力的領域,我的選擇會是材料科學,這是一個多學科匯集努力的焦點。

有統計為證。在進入全球影響因子(IMF;Impact Factor)前十名的期刊中,有6種是關於生醫的,1種是化學《Chemical Reviews》、1種是全科的《Nature》、1種是奈米科技《Nanotechnology》、另1種就是材料科學《Nature Materials》。奈米科技講求操控原、分子的方法,與材料科學注重物性雖然有重點的差異,卻也有重疊之處。用影響因子來評估一個人的學術成就可能失之武斷-即使愛因斯坦在今日可能很不容易找1種IMF大於10的期刊來發表,但是用來評估一個領域的社群大小以及研究的活躍程度大致沒有太大爭議,所以材料科學是近年來科學研究投入的第二大顯學。

材料科學近年來的快速進展當然依賴各學科多方面的同時開展,但有一個和人工智慧的大爆發是相同的:計算能力的大幅躍昇。這使得從薛汀格方程式的第一原理(first principles) 精確預測材料的電、磁、光、熱、壓等性質成有可能。現在的材料開發團隊中大抵有幾個理論學者、幾個負責第一原理計算以及一個實驗群,由於有能力先以理論和數值計算做地毯式的搜尋,所以實驗幾乎是有發必中。信不?這一研發體制也慢慢移轉至產業界,譬如有新材料研發的晶圓廠也開始聘用第一原理計算的工程師以縮短開發時程與降低工程批的費用。

新材料的應用遍地開花。譬如在《2017十大新興科技 台灣何處著力?》一文中用以儲水的金屬有機架構(Metal-Organic Frameworks;MOFs)除了物質極佳的親水性外,另外它的海綿狀結構也最大限度提供了吸附水的可用面積-一個方糖大小的MOFs內部的表面積大概有足球場這麼大;在燃氫汽車中開發鈀、鎳、銅等合金,替代氫燃燒觸媒貴金屬白金以大幅降低成本,使得燃氫無污染汔車得以早日商用;在MRAM中磁穿隧結(Magnetic Tunnel Junction)的絕緣層原先使用號稱理想絕緣體的三氧化二鋁(Al2O3),為了增加鐵磁層的穩定性,改用氧化鎂(MgO),可以舉的例子至少還有千百個。

由這些即將步入應用的例子來看,材料科學所引發的應用型態有兩個特色:一,每種材料有其特性,除極少數材料外,單一新材料的應用都局限在一個特定領域。這與人工智慧與基因編輯的特性-一種技術、廣泛應用-很不相同。二,新材料開發後,從科學的發現到可商用的技術需要一段努力。以應用潛力最廣的石墨烯(graphene)為例,自2004年發現迄今,雖然有許多特性及可能的應用被發覺出來,但離大規模的應用還需假以時日。

由於這兩個特性,應用繁多但市場細碎、每一項至商用要投入相當的工程研發,這不是大國、大公司的理想市場,沒有單一國家或公司能夠完整涵蓋整個領域。台灣於其中,依托既有的優勢產業、精挑細這幾個個別領域,有可能搶得先機,也夠酒足飯飽了。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。