【专业】材料科学，从表象到本质-新东方前途出国

材料科学，从表象到本质

材料科学的进展，越来越倾向于从表象到本质。

材料科学的前沿进展可能发生在三个地方。  

第一个地方，发明或者发现全新的材料，这肯定是前沿进展。而我们寻找新材料的方法，是越来越从表象到本质的。  

在之前很长的一段时间里，很多做材料学相关工作的人，会戏称自己的工作叫“炒菜”。意思是，做一种新材料出来，就如同炒菜，原料放进去，放“少许”盐，再放“少许”醋，弄熟了出锅，就是一种新材料了。“少许”是多少，不清楚。

 

这其实就是对材料学精度的调侃。很多时候，做材料的人自己都不知道在做什么，就这么盲人摸象，也许哪天运气特别好，就能出个好结果。历史上也确实有很多材料就是这么被意外发现的。实际上，在我们的报告中，聚脲涂料也还有一点“炒菜”的意味，用很多不同的原材料进行筛选，最后挑出合适的配方。  

但是现在呢，浏览更多的材料就不难发现，无论是计算精度，还是操作精度，都远远超乎想象。推动这些变化的，是我们对物质结构特性的认识。  

比如说，王中林院士研制的摩擦纳米发电机，就已经触及对物质的本质思考了。他先搞清楚了摩擦起电的原理，再设计出了特殊的材料结构，所以才能让材料的每一个部分，都发挥特定的作用。

 

第二个材料科学前沿进展发生的地方，是对已知材料的改进，这也是前沿进展。  

以往的材料前沿突破，“量”的提升就是“前沿”。比如单晶硅，作为芯片的材料，纯度的要求特别高。现在单晶硅中杂质的含量，已经可以低于万亿分之一了。而在之前，单晶硅里的杂质每降低一个数量级，都被看成是一次巨大的突破。  

但对比来看现在呢？只是“量”的提升，已经不能被著名期刊录用了，必须要深入到改进的原理，有“质”的提升才可以。  

比如课程OLED材料，我们早就知道它可以用在可见光通信领域，但这一次，它能被《自然·通讯》杂志录用，是因为研究者发现了可以提高传输速度背后的原理。这也是从表象到本质的变化。

 

第三个材料科学前沿进展发生的地方，是我们第一次从底层原理上理解了某种材料。

 

比如等离激元纳米颗粒。虽然古罗马出现了用这种材料制作的莱克格斯杯，但是直到现在，我们才知道这个杯子为什么在正面打光和背面打光时，颜色不一样。再比如纽结半金属，我们现在刚刚知道这种量子材料是怎么分类的。  

材料的原理理解起来，难度特别大。理解这些原理有什么意义呢？

 

你肯定知道，武打电视剧里的空气波，或者电影里的隐形斗篷，那都是骗人的。但实际上，在真的搞清楚物质底层的相互作用原理后，开发出类似的材料实现那些效果，其实并不是痴人说梦。

 

材料科学在可能发生前沿进展的地方，都在经历着“从表象到本质”的转变。  

同样的，展望未来，我认为“从表象到本质”也是材料科学未来整体的发展方向。

 

在目前的前沿材料进展中，关注量子效应的成果越来越多。在我们现有的科学体系中，量子力学描述的是世界最底层的规律。关注量子效应，就是我们关注本质的一个表现。

 

即使不考虑深刻的量子问题，越来越多的材料也在关注更深层的相互作用。  

比如说，光、热、电这三种能量形式的转化原理，仍然是一个值得探索的难题。这个问题放在太阳能领域，就是一个更具体的问题：太阳光照在一种材料上，这些光怎样尽可能转化为电能呢？只有彻底弄清楚了光子和物质之间的相互作用，才能在这类材料上取得革命性的突破。  

而在这个大方向中，我要预测两个未来最可能大有作为的领域，值得你持续关注。

 

第一个领域，是环保材料和低碳排放的材料。  

它们会成为最近几年材料学的重点研究方向。地球是不是适合人类继续居住，已经是我们面临的实际挑战。我们已经有一些具体的方案了，比如可降解塑料、光伏新能源等，也已经进入实际应用阶段。

 

而正在研究中的材料，从研究深度与创意性两方面来说，都会和现在逐渐成熟的材料出现“代差”，每代材料会有本质的不同，而不只是逐步优化。  

透明木头，它能够兴起，除了技术上的突破，关键还在于人们对它有“节能”的预期。类似于节能木头这样的材料，会在近几年内更高频率地出现。

 

第二个领域，是包括新型芯片在内的信息材料。  

新材料是解决“卡脖子”难题的一个重要策略。而各类信息材料是被卡脖子的主要对象。

 

但被卡住脖子，不代表不能呼吸。比如芯片，在传统硅芯片的竞争中，主要工业国都会拼尽全力。但是真正的赢家，却要看新型的芯片材料。  

所有人都知道硅芯片会被取代，但是究竟是什么材料能够成功，就没人能确定了。所以，通过新型材料开辟更多的新赛道，确定新的游戏规则，或许就有更多的机遇。  

最后，特别想和那些希望进入材料学领域学习，或者正在这个领域里努力的人说一句：这个领域正在爆发，值得你加入。  

在中美贸易战的大背景下，中国的各种高端材料又被美国“卡脖子”，是不是材料领域的学术进展要减慢了？  

从观察来看，国际学术交流并没有受到大的冲击，在材料学方面，不同团队之间的合作甚至还显著加强了。  

这当中有很多原因。比如技术难度越来越高。很多材料学所需要的设备仪器，对单独的一支团队来说有压力，不得不展开合作。  

再比如材料从设计到应用，往往都是很长的流程。骨移植材料，需要有人制作基础材料，有人负责医学研究，有人进行临床应用，这些工作只能由不同的团队，通力合作才能推进。  

而在这当中，还有一个重要的原因，就是中国研究者的努力。你可能注意到了，现在材料领域很出色的队伍，几乎都有中国人的身影。比如魔角石墨烯，研究虽然是在麻省理工完成的，但是核心研究员曹原，是从中科大少年班毕业的学生，他还公开表示过自己会在毕业后回到中国。  

可想而知，这个领域未来的工作必然会成为一项国际合作的项目，而曹原只是中国研究人员的缩影。正是因为材料领域有众多中国学者在不同国家、不同研究团队之间的积极交流，合作才变得更加频繁。

 

新冠疫情引起人们对病毒科学的关注，到全世界探测火星的盛宴，再到中国宣布2060年实现“碳平衡”，也就是排放和产生的二氧化碳等量的目标，还有“奋斗者号”成功下潜马里亚纳海沟又返回、嫦娥五号月球取土，以及“九章”量子计算机取得的重大突破。  

抛开这些宏观的大事件，我们身边也发生了很多科技巨变。电动汽车的巡航里程越来越长，手机拍摄的效果越来越好，各类生活用品都在向着智能化迈进。

 

而在所有这些科技进展的背后，都离不开材料科技的发展。  

从人类进入旧石器时代开始，我们的历史进程就和各种材料息息相关，以至于考古学家用材料来划分文明的阶段。直到19世纪，铁器时代终结，材料变得越来越多元化，更新换代的速度也越来越快。铝合金、塑料、半导体、量子材料接踵兴起，人们已经没有办法从中挑选出唯一一种能够代表时代的材料了。

 

划重点  

1 材料科学的进展，越来越倾向于从表象到本质。 2 尽管我们处于中美贸易战的大背景下，但在材料学方面，不同团队之间的合作还是显著加强了，这当中离不开中国学者在不同国家的积极交流。这个领域，值得你加入。 3 值得你持续关注的材料科学领域：环保材料和低碳排放的材料；包括新型芯片在内的信息材料。  

【免责声明】

1、个别文章内容来源于网络善意转载，版权归原作者所有，如侵权，请联系删除；

2、所有图片来源于网络，版权归原作者所有。如有侵权问题请告知，我们会立即处理。