超级计算机催生全新能源形态，人类或将摆脱化石燃料实现零碳循环

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举例而言， 一台两顿重的电动汽车顶多可以行使约300公里 。 你无法想象，一架飞机背着满满一机腹的电池起飞，也不可能让一艘轮船带着比货物重得多的电池远航。

各种能源载体能量密度对比：锂离子电池的能量密度过低，以至于只能用在少数领域。可不要小看你的小肚腩，脂肪是极佳的能量载体。一个伟岸的将军肚里所蕴含的能量，很可能胜过一台充满电的特斯拉汽车。

因此，几十年来，科学家们都致力这样一件事：将燃料燃烧的反应逆转—— 利用取之不尽、用之不竭的太阳能，把水和二氧化碳重新变回燃料：

水+二氧化碳碳氢化合物 → 氢气+氧气

在太阳的帮助下，让燃烧的产物摇身一变，变成生产燃料的原料，重新用于工业、交通、发电、采暖等诸多领域。如果该技术最终得以实现，将对人类的清洁能源未来有着重大的意义： 我们终于可以摆脱化石燃料，实现零碳循环。

整个过程却十分困难。实现太阳能燃料的合成，需要依赖高效的催化剂。可是，这种催化剂十分稀少——过去40年间，科学家们只发现了 16 种，而且还是研究别的问题的时候误打误撞发现的。这16种材料的表现也并不尽如人意。

但是，来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和加州理工学院的研究人员 只用了 2 年时间， 便新增了12种可以用作光阳极的材料。 他们是怎么做到的呢？ 答案是： 超级计算机进行理论计算 + 高通量实验法大量筛选。

密度泛函理论（DFT）被广泛应用于计算多电子体系的电子结构。本研究进一步改进了这一算法，用以精确、高效地计算金属氧化物的能带。

首先，科学家们建立了一个 涵盖多达 60,000 种金属氧化物材料的数据库 ；其次，科学家改良了一种叫做 “密度泛函理论（Density Functional Theory， DFT）” 的研究多电子体系电子结构的量子力学计算方法，在保留了其高效的同时，提高了计算半导体禁带宽度的精度。

采用了许多加快计算速度的方法之后，科学家们获得了此类计算的史上最快速度。然而，要对数据库里60,000种材料的化学性质逐一进行详细计算，依然是一项十分浩大的工程—— 如此巨大的计算量，在太阳能燃料直接转化刚刚提出的数十年前，是不可想象的。

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