曹则贤：材料科学是一门科学

曹则贤：材料科学是⼀门科学
曹则贤：男，1966年3⽉出⽣，1987年毕业于中国科技⼤学物理系，1997年获德国Kaiserslautern⼤学物理学博⼠学位。

现任中国科学院物理所研究员，博⼠⽣导师，课题组长，科技部“973”纳⽶材料项⽬⾸席科学家，英国物理学会亚太⽹科学顾问，中国科技⼤学物理系等校兼职教授。

长期从事低能离⼦同固体表⾯的相互作⽤，薄膜⽣长机理和表⾯电⼦谱学与扫描探针谱学⽅⾯的研究以及超硬透明导电材料探索。

曾在多个国际重要杂志上发表研究论⽂60余篇,另撰写中⽂物理学教育、随感50多篇、英⽂专著章节2个。

材料科学是研究材料的组织结构、性质、⽣产流程和使⽤效能以及它们之间的相互关系，集物理学、化学、冶⾦学等于⼀体的科学。

材料科学是⼀门与⼯程技术密不可分的应⽤科学。

材料是早已存在的名词，但材料科学的提出则是在20世纪60年代。

尽管如此，材料科学的发展对科学技术的进步有重⼤意义，它是⼀门需要我们以科学态度来对待的学科。

1 树⽴科学观念是基础
为什么说材料科学是⼀门科学呢？这是因为，在很长的⼀段时间内，科学和技术的概念在中国有⼀些含混的地⽅。

科学虽然不太好进⾏完全的定义，但它更多体现的是⼀种观点、⼀个公式、⼀种算法或者是⼀个理论体系等，它是⼀种更偏重于精神层⾯的定义；⽽技术则侧重于某种⼯艺、某种设计、某些实践，是⼀种侧重于实⽤的东西。

1883年时，德国罗兰德科学家曾说过这样⼀句话：“假如我们停⽌科学的进步⽽只留意于科学的应⽤，我们很快会退化成中国⼈那样。

多少代以来，中国⼈在科学上没有什么⼤的进步，就是因为他们只满⾜于科学的应⽤，却很少追问其中的原理。

”同时，他还举了个例⼦，⽐如中国⼈很早就发明了⽕药，同时获得众多的应⽤，但可惜的是，在中国⼟地上没有发展出化学和物理学。

科学在中国的尴尬之处就在于：我们往往将科学混同于技术，然后⽤⼯程的⽅式进⾏。

⽽事实上，科学其实是社会进步到某种程度⽽⽔到渠成形成的。

某个科学思想可能朦朦胧胧地存在于很多⼈的脑海中，只不过某天由某个⼈率先提出来了。

其实，材料对⼈类⽂明产⽣了不可磨灭的影响。

材料科学是⼀个联合的概念，它是⼀门基于物理、化学、⼯程、数学、⽣物学之上的综合科学。

它值得我们以对待科学的态度去对待。

半导体材料制作的芯⽚
模仿鲨鱼⽪结构制作的新材料泳⾐
剪切变稠材料可⽤于制作防弹⾐
透射电⼦显微镜
2 认识材料与材料科学
那么什么是材料呢？其实我们⾝边触⼿可及的东西，如⽊头、玻璃、⾦属、塑料甚⾄海边的沙⼦，都是材料。

材料是制造产品的原料和基础，⼈类获取和使⽤材料的能⼒是⼈类社会⽂明程度的重要指标。

事实上，⼈类社会发展史就是以使⽤的典型材料来划分的，⽐如⽯器时代、青铜器时代、铁器时代、硅时代。

在潜移默化中，材料改变了⼈类的⽣活。

我们⽣活中常⽤的塑料保鲜膜，因为其轻巧⽅便、⼲净卫⽣⽽被⼴泛使⽤，但它只不过是近⼏年新诞⽣的材料，因为它的存在，⽔果店卖的西⽠敢于切开向消费者展⽰了，⽽这只不过是⽣活中的⼀个⼩⼩改变。

在⼈类体育发展进步的历程中，我们会发现游泳运动的成就曾获得多次⼤幅度的提升。

这并不是因为⼈类在游泳技巧上有多么⼤的提⾼，⽽要归功于泳⾐材料的不断改进，因为新的泳⾐材料⼤⼤降低了游泳时⽔的阻⼒，才使⼈类不断突破⾃⾝的限制。

有⼀件改变⽂明进程的东西就是玻璃，它甚⾄帮⼈摆脱了宗教的束缚。

因为玻璃的制造和应⽤，天⽂学家才观测到了天体运动，打破了宗教中的“完美天堂”，摆脱了宗教的愚昧，⼈类才真正进⼊了⽂明社会。

再如，⽜顿⽤玻璃棱锥观察到光的⾊散；通过光带的分布，我们⼜开启了元素的研究，打开了⼀个新世界的⼤门。

在材料研究领域中，玻璃也被当做⼀种特殊状态——玻璃态，由此还延伸出了固体物理这样的研究⽅向。

材料学的⽕热发展，就是因为⼈类看重材料的各种应⽤，⽽材料的应⽤是与材料的性质密不可分的。

要关注材料的性质，那
么⾸先要关注的⼀定是材料的化学性质，现在的化学已经⾛到了指定电⼦态的化学研究程度，这意味着我们不仅仅了解了材料的化学元素和元素结构这种宏观结构，并开始研究电⼦结构。

不仅如此，材料科学研究⼿段上获得的成功也是科学进步的重要成果，如观察电⼦形态的透射电镜的发明⼈在1985年获得了诺贝尔奖。

这都是材料科学的发展与科技⽂明的进步紧紧交织的佐证。

3 材料的神奇之处
在材料科学的研究中，科学家了解了材料的结构性质，还创造了各种神奇的新的材料，甚⾄是⼀些挑战直觉、挑战⾃然的材料。

我们⽇常所见的材料⼤多具备热胀冷缩的特性，但材料科学家却找到了热缩冷胀的材料——钨酸锆，这种材料在⼀段温区内受热会体现热缩冷胀的特性，类似于⽔；根据泊松⽐，常见材料拉伸后⼀般都会变细，但科学家通过改变材料分⼦结构，制造出了拉伸后可变粗的材料，⾃然界中的蜂窝也具有相似的性质；再如剪切变稠材料，这种液体猛然收到外⼒会变硬，但⽤针慢慢捻可以轻松的穿过，显⽽易见，这样的材料可以⽤来制作防弹⾐；还制作了冷却⾮晶体⾦属，虽然它与常见的冷却后为晶体的⾦属看上去没什么差别，但其实他们的化学性质、⼒学性质都产⽣了很⼤差异，⽽且⾮晶体⾦属还富有弹性，可谓是颠覆我们的认识；更有⾦属泡沫材料、软物质材料、聪明材料（记忆⾦属、⾃清洁玻璃、⾃修复材料）等这些⾮常有实⽤价值的材料。

地球上最富有神奇⾊彩的⼀定要数地球的⽣命了，因此，材料科学在仿⽣研究⽅⾯也在不断地探索，像之前所说的泳⾐材料的改进⽅⾯，科学家们就是模仿鲨鱼⽪的结构制作了“鲨鱼⽪”泳⾐。

在⽇常⽣活中我们都知道，开⼝越⼤的物品越容易撕开，科学家们就反其道⽽⾏之，制作纤维增强材料，使它具备很强的韧性，⽤它制作⽻⽑球拍会⾮常耐⽤。

我们看孔雀的⽻⽑时，在不同的⾓度看到的颜⾊也不⼀样，因为它反射到我们眼睛中的光并不是⾊素⾊（在任何⾓度看起来都是同样的颜⾊），⽽是由于其结构的差异产⽣的效果，我们也因此制作出了光⼦晶体。

4 请把材料科学当做科学
⽆论材料学焕发着怎样的奇异光芒，它始终与化学、物理、数学等基础学科紧密相关，甚⾄还涉及到基础学科中⾮常顶尖的研究理论。

值得我们注意的是，⼀门科学能称为科学的话，它⼀定是能⽤数学来表达的。

数学的特征就是严谨，达芬奇也认为，不以数学为基础的知识是不可能存在确定性的。

那么材料科学中的数学⼜体现在哪⾥呢？
⼀位有名的德国画家在功成名就以后决定放下⼀切⼯作去学习⼏何，因为他觉得，⼀个不懂⼏何的⼈是不可能成为纯粹的艺术家的。

那么，作材料研究需要学习⼏何吗？答案当然是⾮常需要。

在晶体材料研究中，⼏何的应⽤就达到了极致，因为任何⼀个⼏何上的微⼩改变都会使材料的特性发⽣转变。

在20世纪50年代，量⼦⼒学为材料科学研究带来了⼀场伟⼤⾰命，科学家⽤薛定谔⽅程计算出电⼦的能级，量⼦⼒学解释能隙的概念，⼈才明⽩了什么是导体、什么是绝缘体，由此才研究出了半导体材料。

半导体材料出现后对⼈类⽂明的影响是不⾔⽽喻的。

与电⼦研究推动半导体的出现相似，提出光⼦晶体概念时也⽤到了光学研究⼯具麦克斯韦⽅程作为数学表达。

有了数学作为基础，晶体的研究才得以发展，数学早已⾛在了材料科学的前沿。

德国和⽇本是先进的材料研究和制造国家，这不仅与他们深厚的科学基础有关，也与他们求真的民族精神分不开。

材料不仅仅关系着⼈们的⽇常⽣活和物质财富，还关系着国家安危。

在材料科学研究⽅⾯，我们还有更长的路要⾛，我们还需要把材料科学当做真正的科学去对待。

科学导报整理。