【人物專訪】理論計算到電腦模擬之路——專訪鄭原忠

●9/28 鄭原忠老師主講:「計算機世界中的真實—談電腦模擬在科學上的應用」點此報名

採訪、撰文|廖梓甯

你聽過電腦模擬計算嗎?並不是電腦遊戲中的虛擬人物,也不是模擬3D的場景。那麼,跟我們所認知的化學酸鹼實驗或是物理光電實驗有關係嗎?利用電腦理論計算模擬不僅在真實世界中有實際的應用,更已成為工業社會必備的基礎工具。本次我們邀請化學系的鄭原忠教授替我們解惑,也使我們更認識電腦模擬與當今基礎研究的重要連結。

●從化學到理論計算

出身於傳統農村的鄭原忠教授,自幼便沐浴在大自然中,對於自然奧秘的熱愛及響往,促使他走向化學之路。大約是在高中期間,首次接觸化學課及化學實驗,便對其著迷,覺得化學變化很有趣也很特別,因此大學及研究所都就讀化學相關科系。然而,大學時期的一門書報討論課,成為踏入理論計算及電腦模擬的起始點。

當時,鄭教授閱讀了一篇理論計算的論文,文中提及理論計算對於化學家的助益,及如何應用理論建構基礎實驗。這樣的契機,使得鄭教授在碩士班研究有金屬機化學反應時,有了新的想法。當時所研究的鉑金屬錯合物,是一些非常不穩定的分子,只能在低溫下合成及觀察,並且怕水怕氧,很難利用傳統實驗方法研究。這些難以操控的變因,使得鄭教授開始思索其他方法,若想要研究處在不穩定狀態下的分子,更完整的了解其特性,理論計算可能是可行之法。因此鄭教授開始研究電腦模擬,希望藉由理論計算與模擬過程,更了解這些不穩定的有機金屬錯合物的反應性。

當時正處於1990年代末期,化學上的理論計算程式剛開始萌芽,鄭教授自行鑽研不同的電腦書籍,組裝電腦,安裝作業系統及理論計算的環境。縱使在編譯過程中屢次失敗,卻因著對化學的熱情,持續研究,終於在碩士論文中完成了理論計算的模型,開啟電腦模擬的生涯。

●電腦模擬=計算?

當時鄭教授在台灣對研究的理論計算方法,還只是初淺的了解。在指導教授的建議及推薦下,鄭教授到麻省理工學院研讀博士,真正邁入了理論化學的領域。化學系統錯綜複雜,往往需要找到對的近似方法,才能得到能夠符合實驗數據的計算結果,因此理論化學不僅著重在計算,也非常重視理論建構,包括公式推導,分析,模型建立及各種量子力學的應用。一個理論的建立,往往跟實驗密不可分,有時候是實驗結果促使新的理論成型,有時候是理論能被實驗多次證明,而成為可信的理論,這兩者相輔相成。

在國外的競爭環境下,難免遇到一些困難,但鄭教授秉持著「遇到困難就去解決」的心態。雖然剛到美國時,數學及物理的基礎不好,卻願意努力研讀,透過多次練習與廣泛的修課增加自己的實力。並且加上對理論計算及化學的熱情,一步一腳印的在電腦模擬領域中找到研究天地。

●因禍得福

2003年,學術界的一件醜聞—貝爾實驗室的揚‧舍恩(Jan Hendrik Schön)實驗數據造假事件,影響了鄭教授,使得他當時三年辛苦完成的論文無法發表,博士研究也遭遇瓶頸。這項意外卻使得鄭教授投入新領域,一方面做了量子計算相關的研究、一方面也開始投入光合作用系統相關的模擬計算,更進一步地學到了許多計算化學相關的知識。相關的光化學研究不僅能應用在太陽能電池,有機發光二極體等材料的開發上,也是半導體製程光蝕刻的重要方法。在眾多工業中,利用電腦模擬分子狀態及化學變化是非常重要的一環,以台積電為例,若沒有電腦模擬計算,是無法用雷射或電子束等技術在晶圓上完成5奈米線寬的的溝槽,也無法準確地控制晶圓的製程。鄭教授提及:「現代的新材料、藥品研發及化學反應的設計,都需要有理論計算去做電腦模擬,才能在實際操作時,達到最佳效果。」

●電腦模擬的未來

電腦模擬,不僅是當前各行各業的重要工具,也是未來科技的發展趨勢。如何降低成本,使實驗達到最佳效果;如何安排實驗進行,以驗證理論。甚至,如何讓人工智慧融合在電腦模擬中,創造更多可能?這些都是非常好的想法,也需要更多人投入其中。鄭教授將過去現在和未來的科學做個比喻:過去的科學像煉金術般,把所有的材料丟進反應中,得到想要的結果,便完成研究的一部分;現在的科學,我們務求精確地知道每個步驟所發生的事情,需要清楚整個過程才算是完成研究,否則祇是空談;那麼未來呢?未來的科學,可能再次有鍊金術發生的可能,只要將數據資料丟入機器中,讓人工智慧及機器學習運算,得到結果再來推導原因,這是非常可能發生的。因此,電腦模擬不僅是幫助複雜的實驗進行,同時也有預測的功能,更重要的是需要強大的理論基礎來支持每個模型,並且與實驗結果進行驗證。有了電腦模擬計算,好像有了一台超高倍率的顯微鏡,讓我們可以在原子、分子層級清楚的看到一件事情發生的細節,讓科學研究進入一個可以在電腦裡面進行實驗的年代,大大的提升了科學家發現與創新的機會。

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