1878年，托马斯·爱迪生着手改造电灯照明。为了开发适合室内使用的小型灯泡，他必须找到一种持久耐用、低热、低功耗的照明元件。在很大程度上凭直觉的引导下，他开始测试数千种碳质材料——黄杨木、椰子壳、从他的实验室助理的胡须上剪下的毛发。经过14个月的努力，他为一种使用碳化棉线制成的灯丝的灯泡申请了专利。新闻界将其誉为“伟大发明家在电力照明领域的胜利”。然而，还有更好的灯丝材料。在本世纪初，另一位美国发明家完善了钨丝灯丝，我们今天仍然在白炽灯泡中使用它。爱迪生的棉线成为了历史。
材料科学，即将物质工程化为新的和有用的形式的过程，自爱迪生时代以来已经取得了长足的进步。量子力学使科学家们对物质的行为有了深刻的理解，因此，他们能够更多地用理论而不是猜测来指导研究。然而，材料开发仍然是一个极其漫长且成本高昂的过程。公司投入数十亿美元设计新材料，但成功案例寥寥无几。研究人员根据直觉和经验思考新想法；合成和测试这些想法涉及大量的试验和错误。评估一种新材料可能需要数月时间，而且结果通常是负面的。正如我们的麻省理工学院同事托马斯·伊格尔发现的那样，即使是一种成功的材料，从实验室测试到商业应用也平均需要15到20年的时间。例如，当索尼在1991年宣布锂离子电池商业化时，这看起来像是一个突然的、巨大的进步——但事实上，数百或数千名电池研究人员经历了近二十年的磕磕绊绊、停滞不前的进步才达到那个地步。
然而，材料科学正处于一场革命的边缘。我们现在可以利用一个世纪以来物理学和计算领域的进步，超越爱迪生式的过程。计算机处理能力的指数级增长，加上沃尔特·科恩和已故的约翰·波普尔在20世纪60年代和70年代所做的工作，他们开发了量子力学方程的简化但精确的解法，使得使用超级计算机和第一性原理物理学从头开始设计新材料成为可能。这项技术被称为高通量计算材料设计，其思想很简单：使用超级计算机一次性虚拟研究数百或数千种化合物，快速有效地寻找新材料的最佳构建模块，无论是电池电极、金属合金还是新型半导体。
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大多数材料由多种化合物组成——电池电极是几种化合物的复合材料，就是一个很好的例子——但有些材料要简单得多。石墨烯，这种被广泛宣传为电子产品未来的材料，由一层原子厚的碳片组成。无论材料的复杂程度如何，有一件事始终是正确的：它的属性——密度、硬度、光泽度、导电性——都由构成它的原子的量子特性决定。因此，高通量材料设计的第一步是虚拟“生长”新材料，方法是进行数千次量子力学计算。超级计算机将虚拟原子排列成数百或数千个虚拟晶体结构。接下来，我们计算这些虚拟化合物的性质。晶体结构看起来像什么？它们有多硬？它们如何吸收光？当你使它们变形时会发生什么？它们是绝缘体还是金属？我们命令计算机筛选具有特定理想性质的化合物，不久之后，有前景的化合物就会脱颖而出。在该过程结束时，调查期间生成的数据将返回到数据库中，供研究人员将来挖掘。
自2011年以来，我们一直领导着一个旨在加速计算机驱动的材料革命的研究人员合作项目。我们称之为材料项目。目标是建立免费、开放存取的数据库，其中包含所有已知无机化合物的基本热力学和电子性质。迄今为止，我们已经计算了自然界中已知的约35,000种无机材料的基本性质（晶体结构的排列、它是导体还是绝缘体、它如何导光等等）。我们还计算了另外几千种仅存在于理论中的材料的性质。到目前为止，已有约5,000名科学家注册访问包含此信息的数据库，他们一直在使用它来设计用于太阳能电池、电池和其他技术的新材料。
我们并不是唯一采用这种方法的人。由杜克大学的斯特凡诺·科尔塔罗洛领导的一个研究人员联盟已经计算了数万个合金系统；他们的研究可能会产生更轻、更坚固的汽车车架、摩天大楼的结构梁、飞机蒙皮等等。量子材料信息学项目由阿贡国家实验室、斯坦福大学和丹麦技术大学的研究人员组成，一直在使用高通量计算来研究金属表面的催化过程，这在能源研究中特别有用。
在不久的将来，材料科学家将使用高通量计算来设计几乎所有东西。我们相信，这将带来重塑我们世界的技术——突破将改变计算、消除污染、产生丰富的清洁能源，并以今天难以想象的方式改善我们的生活。
材料基因组
现代世界建立在材料科学成功的基础上。透明导电玻璃的出现促成了智能手机上的触摸屏。这些手机能够以光速在全球范围内传输信息的原因是，材料科学家找到了一种制造不含杂质离子的玻璃的方法，从而实现了光纤通信。这些手机一次充电可以使用一整天的原因是，在20世纪70年代和80年代，材料科学家开发了新型的锂存储氧化物材料——锂离子电池的基础。
正是我们在电池方面的工作首先将我们带入了高通量材料设计领域。我们一生都在从事计算材料设计，但直到2005年与宝洁公司 (P&G) 的高管进行了一次对话，我们才开始思考世界上最强大的超级计算机能够实现什么。这些宝洁公司的高管希望为他们的金霸王部门生产的碱性电池找到更好的正极材料。他们问了我们一个令人惊讶的问题：是否有可能计算筛选所有已知的化合物以寻找更好的材料？经过思考，我们意识到唯一的真正障碍是计算时间和金钱。他们很乐意提供这两者。他们为该项目投入了100万美元，并让我们的团队自由支配他们的超级计算中心。
我们称我们的工作为碱性项目。我们筛选了130,000种真实和假设的化合物，并向宝洁公司提供了一份包含200种符合该公司要求的标准的清单，所有这些化合物都具有比其当前化学物质显著改善的潜力。到那时，我们确信高通量材料设计是我们领域的未来。我们增加了员工，筹集了资源，并在2011年启动了麻省理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室之间的合作，我们最初称之为材料基因组项目。加州大学伯克利分校、杜克大学、威斯康星大学麦迪逊分校、肯塔基大学、比利时鲁汶天主教大学和其他机构的团队随后加入了这项工作，他们都将他们生成的数据贡献到我们在劳伦斯伯克利的免费、开放存取的中央数据存储库。
不久之后，我们从项目名称中删除了“基因组”，以将其与白宫科技政策办公室正在启动的一项倡议区分开来。公平地说，化合物的性质并不是真正的“基因”——它们不是提供唯一数据序列的遗传信息位。然而，材料的功能或性质与其基本描述符之间存在直接关系。正如蓝眼睛可以与某个基因相关联一样，例如，材料的导电性可以追溯到构成它的元素的性质和排列。
这些类型的相关性是材料科学的基础。这是一个简单的例子：我们知道我们可以通过将目标缺陷引入矿物的晶体结构来“调整”矿物的颜色。以红宝石为例。它的红色色调来自普通矿物刚玉 (Al2O3) 中意外的1%的铬离子 (Cr3+) 替代。当 Cr3+ 被强行置于这种环境中时，其电子态会发生改变，从而改变材料吸收和发射光的方式。一旦我们知道了性质的起源——基本描述符（在本例中为红宝石的红色），我们就可以用合成方法来针对它。通过调整这些化学缺陷，我们可以设计出具有完美调整颜色的新型合成红宝石。
量子力学方程可以告诉我们如何进行这种调整——使用哪些元素以及如何排列它们。然而，这些方程非常复杂，实际上只能通过计算机求解。假设您想筛选一组数百种化合物，看看哪些化合物具有您需要的性质。计算这些方程需要令人难以置信的计算能力。直到最近，这根本是不可能的，这就是为什么历史上如此多的材料科学是通过试验和错误进行的。然而，现在我们有了计算能力，我们终于可以利用量子力学的全部预测潜力。
假设我们正在研究温差电材料，如果它们经历较大的温度梯度，就会产生电流。（反之亦然：如果您向温差电材料通入电流，它可以维持温差；想想即时冷却。）社会通过燃烧、工业加工和制冷浪费了大量的热量。如果我们有高效、廉价且稳定的温差电材料，我们可以捕获这些热量并将其重新用作电力。温差电设备可以将工业废热转化为电力为工厂供电。来自汽车排气管的热量可以为驾驶舱内的电子设备供电。温差电也可以提供按需固态冷却：我们可以编织到衣服中的小型设备，只需拨动开关即可为我们降温，无需风扇或压缩机。
我们今天知道的最好的温差电材料之一是碲化铅，但它毒性太大且价格昂贵，无法商业使用。假设您是一位研究人员，正在寻找更好的温差电材料。如果没有高通量计算，情况会是这样的：您首先会寻找已知的化合物，这些化合物像碲化铅一样，具有较高的塞贝克系数（衡量您输入的温差可以输出多少电力的指标），但与碲化铅不同，它们不是由稀有、有毒或昂贵的元素制成的。您会仔细研究表格并比较数字。如果您幸运的话，您会提出一些候选化学物质，从理论上讲，这些化学物质似乎可以发挥作用。然后您会在实验室中制造这些化合物。物理合成材料是一项昂贵、耗时且困难的工作。通常，您事先不知道新材料是否稳定。如果稳定，您只能在合成化合物后测量其性质，然后重复该过程，直到您获得相当纯净的样品。每种化合物可能需要数月时间。
到目前为止，研究人员还没有运气找到替代温差电材料。但他们尚未尝试高通量计算材料设计。这种情况很快就会改变。从今年开始，我们将开始与加州理工学院和其他五个机构的研究人员合作，进行高通量搜索，寻找新的温差电材料。我们打算坚持不懈，直到找到可以使那些节能、奇迹冷却技术成为现实的化合物。
材料设计的黄金时代
我们以自动化方式访问、搜索、筛选和比较材料数据的能力还处于起步阶段。随着这个领域的发展，它会产生什么？我们不妨做一些猜测。
许多有希望的清洁能源技术正在等待先进材料变得可行。光催化化合物（如二氧化钛）可用于将阳光和水转化为氧气和氢气，然后可以将其加工成液体燃料。其他光催化剂可以用二氧化碳做同样的事情。梦想是“人造叶子”，它可以将阳光和空气转化为甲醇类液体燃料，我们可以在汽车和飞机中燃烧这些燃料 [参见 Antonio Regalado 的《重塑叶子》；《大众科学》，2010年10月]。美国能源部研究中心——人工光合作用联合中心的研究人员正在使用高通量方法来寻找可以使这项技术可行的材料。
那么为汽车和飞机寻找新的金属合金呢？将车辆重量减少10%可以提高6%到8%的燃油经济性。美国工业界每年已经在金属和合金制造的研发上投入数十亿美元。计算机引导的材料设计可以使这项投资成倍增加。高强度、轻质和可回收合金的重大进展将通过提高运输和建筑领域的能源效率对世界经济产生巨大影响。
计算是另一个需要变革性材料的领域。最近，我们看到了许多关于摩尔定律即将终结的严肃预测，摩尔定律指出，计算能力大约每两年翻一番。我们早就知道硅不是最好的半导体。它只是恰好储量丰富且易于理解。什么能更好地工作？关键是找到可以快速从导电状态切换到绝缘状态的材料。加州大学洛杉矶分校的一个团队用石墨烯制造了极快的晶体管。与此同时，斯坦福大学的一个小组报告称，他们可以在万亿分之一秒内翻转磁铁矿中的电开关——比目前使用的晶体管快数千倍。高通量材料设计将使我们能够筛选这些可能性。
这个清单还很长。研究人员正在使用计算材料设计来开发新的超导体、催化剂和闪烁体材料。这三件事将改变信息技术、碳捕获和封存以及核材料的探测。
计算机驱动的材料设计也可能产生难以想象的突破。也许我们可以发明一种基于硅而不是碳的新型液体燃料，它将比汽油提供更多的能量，同时产生环境友好的反应产物，如沙子和水。人们已经谈论这个想法几十年了，但没有人找到可行的配方。高通量材料设计至少可以告诉我们这种事情是否可能，或者我们是否应该将精力集中在其他地方。
所有这一切都是我们相信我们正在进入材料设计的黄金时代的原因。强大的计算能力使人类比以往任何时候都更有能力将原材料转化为有用的技术。这也是一件好事。为了帮助我们应对日益变暖、日益拥挤的地球所带来的挑战，这个黄金时代越早开始越好。