快乐的材料科学- (1)什么是材料？

       日前, 本人一篇《博士生面试花絮》引发热议，其中最具批评性的评论认为：“你们几位教授对中国的教育了解的还不太深刻，出那么刁难的问题全中国有一个学生会?”(潜台词也许是，连你们自己都不见得搞清楚了，就来刁难学生们!)。然后有同学对此评论颇不服气，针对该评论留评道：“您也太小瞧人了吧?”题目的难易实际上是相对的，会则容易，不会则难。我想，这位打抱不平的同学一定是能够正确回答我所列举的大部分问题的。

通观我所列举的几道面试题，最难回答的大概应数“什么是材料?” 就好象我们天天吃饭，似乎理所当然地知道什么是饭。但真叫我们给出饭的准确定义，还的确不那么容易。另一方面，从面试的角度讲，考考学生根据已掌握的信息与自己的理解、对自己研究的对象给出准确的定义，似乎也是再顺理成章不过的事，自然不能算刁难。问题之所以难回答，大概缘自我们现有的材料科学与工程课程体系里面，没有哪一门课真正回答过这一看似简单的问题。我曾经试着从已有教科书中查找，结果还真没找到令人满意的现成答案。L.H. Van Vlack在《Elements of Materials Science and Engineering》(5^th Ed., Addison-Wesley Publishing Company, Reading,1985)中对材料进行过如下经典的论述：

Materials are all about us: they are engrained in our culture and thinking as well as in our very existence. In fact, materials have been so intimately related to the emergence of civilizations that they have given names to the Stone, Bronze and Iron Ages. Both naturally occurring and manufactured materials have become such and integral part of our lives that we often take tem for granted, and yet materials rank with food, living space, energy, and information as basic resources of the human race. Materials are indeed the working substance of our society; they play a crucial role not only in our way of life but also in the well-being and security of nations.

But what are materials? How do we understand, manipulate, and use of them? Materials are, of course, a part of the mater in the universe, but more specifically they are substances whose properties make them useful in structures, machines, devices, or products. For example, these categories include metals, ceramics, semiconductors, superconductors, polymers (plastics), glasses, dielectrics, fibers, wood, sand, stone, and many composites.

这是我所见到关于材料的最经典的定义,也是我等材料系教授面对新生时最津津乐道之说辞。但仔细推敲起来，关于材料的这一定义显然并不完善(由于没能找到该书的新版本,不知作者是否给出了更新的定义)。现在不妨根据我们所掌握的有关材料的综合信息，来做一个练习，看能否进一步完善上述定义。

欲阐述清楚某一概念，不外乎先给出其主体，然后阐述清楚该主体所包涵的主要特征。首先，材料是物质，但并非所有物质都是材料。站在材料学者的角度看,空气不是材料，石油不是材料，水不是材料,大米不是材料，药不是材料，化肥也不是材料。诚如Van Vlack老先生所言，材料应该是一类特殊的物质，其性质应该使得其能应用于结构、机械、元件或产品。值得指出的是,这里仅讲特殊的物质，应该说是不够的,产品之说也有歧义。从上面列举的metals, ceramics, semiconductors, superconductors, polymers (plastics), glasses, dielectrics, fibers, wood, sand, stone, and many composites.等一系列材料可抽象出其共性，即它们都是固态物质。而考虑到液晶等，则可将材料的范围扩展至凝聚态物质。若将其应用范围更全面地阐述清楚，则可将材料进一步表述为可用于制造特定的元件、器件、零件、部件、结构、生物组织或器官的凝聚态物质。而欲满足上述应用的要求，一定得具有一定的成分、结构(微结构)、特性(characteristics)与使用特性(performance)。这样一来，关于材料的完整的定义不妨暂且表述为: 具有一定的成分与结构(微结构)，一定的特性与使用特性使得其可用来制造特定的元件、器件、零件、部件、结构(桥梁、铁道、建筑等)、生物组织或器官、以及其它生产或生活用具的特定物质(一般为凝聚态物质)。

诚然，对于材料的认识，不同领域的人一定有差异。电气工程师、机械工程师以及建筑工程师等可能倾向于限定在较窄的范围内；而物理学家、化学家以及化工工程师也许会倾向于扩展到非常宽的范围；而材料学家所谓的材料范围自然介于上述两者之间。这种认识差异的根源，主要在于对"material" 与"matter"之异同的理解。因此，上述过程纯粹是一个根据已有信息阐述某一特定概念的练习，不敢称之为关于材料的正式定义。欢迎各位提出高见。