材料界的Google,線上資料庫─Materials Project

Screenshot of the Crystalium web application
Screenshot of the Crystalium web application

■2011年開始,科學家展開一項龐大的材料性質公開計畫,讓所有人都能免費取得原子及化合物的性質。

撰文|方程毅

自1869年俄國化學家門得列夫畫出人類歷史上第一張元素週期表以來,我們對於原子特性的理解已越來越透徹,新分子、新材料的研發也是奠基於對組成原子的充分理解。但,這些資料往往是破碎的,東一塊西一塊,讓研究人員或一般大眾需要花費很多時間及精力才能找到想要的數據。因此,隨著網路的發達及體認公開透明資訊對於加速科技發展的重要性,加州柏克萊大學勞倫斯實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)及麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)在2011年發起一項Materials Project,旨在整合各方資源,利用理論計算,讓原子性質完整公開,以縮短材料相關科技產業的研究週期(例如:電池及太陽能電池)。

Materials Project 的網址為:https://www.materialsproject.org/。這是一個免費的網站,只需用email註冊即可,有興趣的讀者不妨可以進去玩玩看。

可別以為這網站是只給科學家看的天書,裡面包含許多中學生都能看得懂的資訊。在Apps選單下找到”Reaction Calculator”便可以計算化學反應會吸收或放出多少能量,舉個簡單的例子:酸鹼中和,在反應物(Reactant)輸入” NaOH+H2SO4”,生成物(Product)輸入” Na2SO4+H2O”(連平衡係數都不需要),便可以得到ΔH=-301kJ/mol。

這個網站同時提供了原子本身的資訊,從最基本的原子序、原子量、熔沸點到楊氏係數(Youngs Modulus)及熱膨脹係數(Coefficient Of Linear Thermal Expansion)。進階數據如相圖(Phase Diagram)、能帶圖(Band Diagram)也都能在裡面找到。更棒的是它還提供客製化晶體結構運算,自行輸入分子式,網站便會計算其分子結構及相關資訊,內文圖為SiO2的分子結構結果,網站提供的資訊包含晶格常數、原子座標、空間群(Space Group)等等。

Materials Project計算SiO2晶體結構結果
Materials Project計算SiO2晶體結構結果

一個網站能夠包含如此完整的資訊當然不是一兩個實驗室就能完成的,參與這項計畫的單位規模龐大,還包括:美國國家能源科學運算中心(National Energy Research Scientific Computing Center,NERSC)、加州大學聖地牙哥分校(UCSD)、杜克大學(Duke University)、加州理工學院(Caltech)、威斯康辛大學麥迪遜分校(UW-Madison)及比利時魯汶大學(UCL Belgium)。

雖然網站已經上線,但資料庫還是持續更新。最近加州大學聖地牙哥分校Shyue Ping Ong教授的實驗室利用第一原理(First Principle)計算各個原子晶體的表面能。固態材料都會有特定的原子堆疊方法(例如高中所學體心立方、六方最密堆積等等,在材料學界還有更嚴謹定義晶體堆疊的方式)。因為原子會根據特定方式堆疊,假設現在有一塊晶體,想要拿刀剖開它,從不同方向切,就需要不同的能量,這是因為晶體不同方向的表面能不同,要將晶體剖開就必須克服該方向的表面能(Surface Energy)。表面能在小尺度,比表面積高的狀況下是非常重要的資訊,例如:研究車子的觸媒轉化器(catalytic converter)及燃料電池(Fuel Cell)等等。Shyue Ping Ong教授總共計算出週期表上72個元素超過100種的多形體(polymorph),其結果發表於Scientific Data,這些資料同時在(http://crystalium.materialsvirtuallab.org/) 也可以找到。

目前Material Projects主要資料還是以原子及簡單的化合物為主,研究團隊期待能夠將更多複雜化合物資訊整合進去,讓全世界的人不用再做枯燥的文獻搜尋,而能快速地拿到材料基本性質,將時間投入在新研究新構想,讓科技的進步能夠更有效率。

 

參考資料:

  1. Berkeley Lab Teams with MIT to Develop Search Engine for Materials Research
  2. Researchers Build World’s Largest Database of Crystal Surfaces and Shapes
  3. Tran, Richard, Zihan Xu, Balachandran Radhakrishnan, Donald Winston, Wenhao Sun, Kristin A. Persson, and Shyue Ping Ong. "Surface energies of elemental crystals."Scientific Data 3 (2016): 160080.

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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