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計算材料學在材料學界是什麽樣的地位?

2014-12-15科學

多圖集錦,資訊量比較大,要耐心看!

看到這個問題很久了,縱觀了這個題目下的回答,我們可以把回答問題的朋友分為:(1)學術界或者叫基礎科研界的朋友;(2)來自於企業的研發工程師;(3)上岸或者離開這個行業的朋友。我來回答這個問題的話,是以一個混合身份的人來回答的。我以前做碳基材料,主要研究石墨烯和碳納米管以及一些金屬薄膜材料,後來因為工作需要就跟各個高校的老師和學生打交道,包括做理論(theory)的,做方法的(method),做計算或者模擬的(compute或者Simulation),也有做實驗的(experiment),還有做軟件開發的(包括前面有朋友介紹的一些國內外從事軟件開發的大牛我也接觸過,跟他們也交流了不少對於計算材料學的看法還有其他的一些合作),當然還有一些是跟目前比較火的材料大數據,MGI,ICME一些團隊有一些合作,要不就是高通量計算,要不就是高通量實驗,反正算是在高校業務階段把跟計算材料學相關的團隊和人都接觸了,雖然有的是蜻蜓點水,但基本上對這個群體的人員有所了解。而後來去產業界工作了,基本上接觸到的要不就是企業的CTO(這些人不乏全球龍頭企業工作數十年的背景,或者是學術界的大千等)、要不就是實驗類的工程師或者從事計算材料的工程師,因此也對企業界工程師的想法以及其處境有所了解,或者說能夠感同身受。再後來因為負責公司的融資事宜,跟政府以及資本都有一些交集,因此我想站在一個既是局外人又是局中人的角度來回答這個問題。

我想在這裏要先說明幾個事情:(1)計算材料學本身是什麽技術;(2)人和計算材料學的關系,這個可能是大部份從事計算材料學的人都會關註的,可能有春風得意依照看盡長安花的高手,也有可能覺得自己懷才不遇,別人無法慧眼識珠的朋友;(3)計算材料學在材料學界(學術界和產業界)如何被人看待。

首先我們需要清楚計算材料學到底是什麽,到底在整個產學研環節中處於哪一段,可以按照下圖的一個模式進行區分,一般而言,計算材料學是處於Design the material這個階段,主要是對材料進行研究。

左邊的都可以叫做計算材料學,但是你會發現一個問題,除了quantum mechanics和molecular dynamics對應是可以用包括vasp、gaussian、atk、nanodcal、rescu、lammps等軟件計算外,其余的哪個不是要靠對模型的理解,和依賴於建模的技術,這裏的建模不是指對一個分子或者晶胞進行編輯或者視覺化,而是做物理或者化學的數學建模,比如相場,都知道是做微觀組織模擬的,但是如果你拿一個相變的模型用於金屬凝固的,那麽可以做鋰枝晶中的死鋰模擬嗎?不可能啊,因為死鋰模擬,需要構建SEI的機理模型,而這玩意兒到現在都說不清楚;還以相場為例,可以做缺陷演化,但是你肯定知道目前矽材料產業中對於缺陷的需求或者調控要求你需要涉及到電子層面的物理影像,相場沒有怎麽算呢。我們面試過很多人,其中部份人,只是一個軟件的操作工而已,僅此而已。因為他根本不具備除了軟件操作外的其他技能。1/4這兩個核心都不具備!

其次,在材料的研發過程中,我們都知道MGI,可是有多少人知道計算材料學在整個材料全生命周期中的套用呢?

計算材料學在材料發現階段可以用,可以對其做無數的變化,但是之後呢?如何合成,高壓條件是否合適。為什麽做鋰離子電池材料中電解液分子的HOMO/LUMO計算?為什麽要分子模擬的光譜跟實驗不一樣?

首先計算材料學在材料學界的地位,我覺得這個問題可能要分為兩個層面,一個層面是這個技術本身,另外呢,就是真正的從事於這個行業的人員。我分享幾個案例,這裏面就不說具體的名字了。

在高校階段,計算材料學一般分為這樣幾個地位:(1)計算材料學大組,已經成規模,但是仍然以使用軟件為主;(2)實驗組的附庸;(3)開發計算材料學軟件的巨擘;(4)調板。我以前跟華南理工大學一個從事計算材料學的朋友進行交流,他跟我提到他和實驗課題組合作,原來是希望他先計算,算完了找出比較滿意的材料在進行實驗,但是實驗組的不幹,實驗組覺得要先做完實驗,然後找到比較好的實驗結果,然後再用計算錦上添花。這看起來有點兒自我實作的預研的感覺。單這就是事實,以前有,現在有,未來應該還會有。再講一個彈板的例子,還是一位大牛,這個是有帽子的朋友,之前從事計算材料學研究,桃李滿天下,自己從北到南,一直往上走,最終實作了材料計算與實驗融為一體,同時還在做產學研轉化,當然這個產學研轉化跟計算材料學沒有關系了,也脫離了其原來的行業,是從事加工行業的,做器材。但是,無論怎麽說,他是靠計算材料學起來的。另外就是開發計算科學軟件的大牛,他們已經能夠按照自己的課題來做研究,雖然會和實驗組進行合作,但是更多的是自己有更多的選擇權了。上面的內容充分展示了,計算材料學似乎符合被搞實驗的一頓看不起,成為附庸的感覺。但是,其實不然。我有幾個中科院系統的朋友,一個從事微電子器件模擬,方向是新材料和器件,其發表的文章也是從IEDM(做微電子的都知道,這個是和VLSI一樣在這個領域是封神的存在)到AP等系列全都有,另外一個是從事鋰離子電池材料計算的大牛,也一直很猛,和實驗大佬合作,自己也做計算,做完計算,也有實驗的朋友去驗證,為實驗做指導。這似乎又跟前面的不太一樣,好像又平起平坐了。另外就是做方法的,比如清華大學帥誌剛和我們公司合作相關的軟件產品從學術界進入到工業界。我們公司首席科學家郭老師也是,開發的計算材料學軟件,NEGF-DFT技術也早就為Intel、TSMC、Micron等企業服務過,也從學術界進入了產業界,以郭老師的地位都是歐美企業打電話找他做計算,而不是他去申請或者要求企業專案。所以綜上,我覺得在學術界而言,計算材料學這個技術本身並無所謂的地位,它本身是與實驗科學並列的地位,還是看使用計算材料學這個技術或者從事這個行業的人員的奮鬥。

在產業界。在產業界而言,其實計算材料學這個名詞,其實這麽說吧,如果你包括了分子模擬,那麽就比較好,如果沒有的話,那麽也處在一個逐步上升的地位。我跟很多龍頭企業打過交道,他們目前已經在使用計算材料學技術,而且使用的不僅僅是基於連續介質的有限元技術,基本上都在做第一性原理(QC、DFT)、原子分子尺度的模擬(MD、MC)等等領域的套用技術。這些技術都隸屬於計算材料學,並且極為受到企業的關註。那企業為什麽關註呢?主要從如下幾點展開:(1)內部的技術需求,的確在以往的研發和制造過程中基於計算材料學獲得了相應的收益,滿足其投資收益;(2)相關計算材料學從業工程師的推動。舉幾個例子,我認識一位大牛,這個不敢妄自稱為朋友,以前一直在學術界做計算材料學,後來到龍頭企業裏面擔任資深總監,推動計算材料學在企業裏面的發展,並且取得了相當不做的技術成就,與實驗協同,和指導實驗;還有一個朋友在OLED行業從事計算材料學或者說分子模擬更加貼切吧研究,也是做得不做,透過高通量計算進行OLED分子的篩選和最佳化改良。企業界最終看收益看成果,所評價的是經濟指標,這個跟學術界不一樣。但是並不影響計算材料學技術在企業內部與實驗技術齊頭並進。唯一說是地位的話,可能算是說計算材料學工程師的地位,因為計算材料學技術在目前國內企業正在逐步被接受和使用,那麽與之相關的工程師也在慢慢的呈現自己的價值,可能初期只是初級工程師,但是也有朋友做到經理,做到了高級工程師甚至總工的級別。所以,在企業界也是一個平等的地位。

在政府與資本面前,是新寵。大家都知道計算材料學也屬於工業軟件的一種,自從和鷹醬的關系變差了,種花家被白頭鷹各種刁難,因此國內無論是政府還是企業都註重國產化軟件,同時對於相關人才也非常重視。之前和紅杉資本一個投資經理聊過,他們也投了不少類似的企業。再看業界是怎麽玩的,2020年還是虧損狀態的薛定諤在美股上市,比爾蓋茨以個人身份和其基金會身份聯投了兩輪;達索於2011年左右收購了acclrys,後來更名為biovia;2020年西門子收購了culgi,這個是做軟材料的,也就是我們常說的分子模擬,包括量子化學、分子模擬(MD等)功能,作為其材料全生命周期的戰略;2017年全球最大EDA公司收購了Quantumwise A/S,也就是咱們在學術界的ATK。

我也不幹說,上一些數據吧,這是國外一家咨詢公司針對分子模擬和計算材料學在產業界所做的行業分析。大家可以一起看看。

當然此外還有ICME等一些新的技術,這裏有一些數據可以供大家參考!

所以,計算材料學技術本身在學術界、工業界,我把這兩個叫做材料學界,政府和資本不算,一直是受到關註的,我認為可以得出如下結論:

(1)從學術界而言就是本身的合作者以及自身是否能夠實作對研究方法和研究計劃的控制,即計算材料學是做實驗的附庸,還是做實驗的指導,亦或是相輔相成;

(2)尊重發展的規律,從低處走起,不斷向高處進軍,只有你在計算材料學領域浸淫多年,你才能造詣頗深;

(3)計算材料學在產業界,跟學術界的不一樣在於,學術界有時,僅僅考慮一個點,但是企業做產品是系統工程,你需要指導一個研發要經過價值流、工作流、任務流、工具流和技術流這幾個環節,計算材料學屬於工具流和技術流,你需要清楚在哪個階段發揮自己的價值。如果你了解了,你就知道你很有話語權了。

(4)關於就業,我有很多朋友都是從事計算材料學的,從DFT、MD、MI等各種技術環節都有,他們目前很多在企業,在學術界都還不錯。不過就是自身的實力和話語權。