分子級反應型網實整合之材料模擬技術：材料世界網

陳立基／工研院材化所

在節能、環保、碳中和的全球趨勢中，透過材料模擬技術可達到減少嘗試錯誤的次數，藉此節省實體資源之損耗，逐漸受到化學相關產業的重視。化學產業本質上屬於資本密集產業，更精確的分子級計算研發產品，將可大幅度地縮減研發成本，以符合科學原理原則的方法，並對於想開發的產品進行前期評估，從源頭管控研發主軸的資源投入。化學材料的產品應用與現代人生活息息相關，舉凡：食、衣、住、行、育、樂，皆扮演不可或缺的關鍵角色，並創造龐大的經濟價值；因此，適當地應用化學材料特性，產品就可以提升附加價值，促使產業發展、穩定獲利。

【內文精選】

前言

分子級模擬(Molecular Simulation)的商用套裝軟體，涵蓋了建構分子反應相關的所有理論與計算方法，目前該技術大部分用於計算化學、藥物設計、計算生物學和材料科學領域，以研究從小分子系統到大型生物分子和材料組裝的分子系統。使用分子建構的模擬技術可研究無機、高分子和生物系統，包括：分子結構、觸媒反應、表面性質和多重物理性質。生物活性類型可包括：蛋白質折疊、催化、蛋白質穩定性、生物分子功能、構型變化以及分子識別。

本文擬將以「二氧化碳與鎳觸媒烷化反應機構模擬」以及「聚氨酯發泡反應模擬」，進行分子級反應型網實整合材料模擬技術的案例說明；相關案例都係經濟部技術處科專計畫「高值材化產業環境建構計畫—材料多尺度模擬設計子項」所衍生之核心技術，並已透過先期參與機制開始和關鍵廠商進行網實整合的模擬技術合作。透過經濟部技術處科專計畫平台的資源投入，工研院材料與化工研究所已建構完整的基礎軟硬體環境平台，如：平行運算系統建置、多尺度模擬軟體建置、建立多尺度模擬連結方法(QM、MD、MC、CGMD、DPD、FEM、FVM)，布局「材料數位網絡與高端結構複材應用研究」，建構產業界材料網實整合能量，整合材料基因組(MGI)資料庫以及強化材料大數據解析能力，推動關鍵廠商轉型升級成為具備高度客製化能力的生產智慧化產業供應鏈核心，讓台灣關鍵零組件製造廠商共同提升，成為亞洲的高階製造中心。

二氧化碳與鎳觸媒烷化反應機構模擬

二氧化碳應用加氫重組成為甲烷與水之技術，目前已成歐盟為首的國家投入大量研發資源的創新顯學，因其有較高轉化率，及甲烷為乾淨能源(Clean Fuel)的優勢。二氧化碳加氫重組成為甲烷與水之總反應，是以多步驟單一反應器之形式進行，實驗數據之反應總能量為-165 kJ/mol，整體是一個放熱反應；其反應過程中需要二氧化碳及氫氣作為氣體進料，與目前化工製程反應走向單一反應器之趨勢一致。鎳觸媒加氫重組成為甲烷之反應機構(如圖一)，共分為7個步驟(Stage1~7)，可以清楚看到從二氧化碳吸附在鎳觸媒之後，逐個與氫原子結合以及連續觸媒轉化的過程。

圖一、鎳觸媒加氫重組甲烷詳細反應機構

聚氨酯發泡反應模擬

在節能、環保、減碳的應用市場趨勢中，材料本質之輕量化技術逐漸受到產業界的重視，先進工業國家更是把材料輕量化作為節能減碳的重要策略。因此透過跨領域的材料技術整合，反應型發泡材料所衍生的商品，將逐漸透過產業上、中、下游的功能性整合，建構出完整生產智慧化供應鏈體系，其中化學發泡成型(CFM)就是一種藉由化學反應產生氣體而填滿模穴的成型工藝。這當中以聚氨酯(PU)為產業界最常用的一種發泡材料，市占率最高占52%，其次為聚苯乙烯(PS)市占率22%。

發泡材料的共通性為省能源並兼顧安全性或特殊功能性，通常這類產業使用零組件，將走向複雜化且要輕量化的趨勢。例如：動車產業的骨架結構、儀表板、引擎上蓋(如圖三)，對於需要結構強度的內部零組件，除了使用纖維複合材料增加強度之外，如果能再使用發泡製品，能更有效減輕運輸工具的重量。因此，這些零組件如果都能使用複合發泡材料，將可達到減輕重量且不損失整體結構強度的目的。根據國際汽車輕量化綠色科技聯盟(IALTA)的統計數字指出，動車減重10%即可省油6~8%。