材料哲学：微观和宏观、科学与工程、现在和未来、形似和神似、科技大国和科技强国的统一

冯培忠 中国矿业大学

材料是时代的标志，人类历史根据材料分为陶器、石器、青铜、铁器、新材料等时代。材料专业受到全世界高校的重视，各个高校都在强化、拓展、新办材料专业，从ESI之22个分类看，材料科学全球上榜1253个，而几乎囊括我国工科目录所有专业的工程上榜2179个，也从一个侧面说明材料的热度。材料产业受到地方和国家的重视，政府、风投，北京、县城都大力发展材料产业。然而高考招生，材料却被莫名其妙的拉低，感觉就业没门道，学历要博士等。

材料是一个什么样的专业呢？材料专业和产业具有什么样的地位？突然想了几个统一，这种统一极有可能是科技强国路径的实现方法。

微观和宏观的统一。材料专业讲的是成分、工艺、微观结构、性能和服役，其中成分和结构讲的都是微观，例如微量元素的控制，微观结构的调控，通过添加0.1的Al就可以形成2-3nm的Al合物，从而起到弥散强韧化的效果，最终提高了性能，宏观的性能，用肉眼可见、试验机可测的性能。宏观的性能是由微观的组织所决定，只要微观的成分和组织定了，宏观的性能必然确定，即使不测，也是确定的事实；而宏观的性能有变化，一定与微观的成分和结构有密切的联系，只是这种微观的变化我们是否能认知清楚，这与我们的认知能力有关，例如随着科学技术的发展，更多的人可以更容易的观察到几个纳米的颗粒、组织等，这些都是微观结构的关键，所以材料是一个微观结构和宏观性能相统一的专业、学科、领域、产业。

科学与工程的统一。材料专业无论本科还是研究生其全称都是“材料科学与工程”，从名称可以看出其具有科学与工程的统一性。科学讲的是理论、规律、公式、定理，是自然的探索，是未知的理解，材料科学就是基于基础的数学、物理、化学，通过语言文字来描述宇宙中现有物质的成分、结构、性能等规律的科学，并基于这些研究所得出的理论和规律来指导新材料研究的过程，所以新材料的研究，尤其不管能否应用、不管是否有用、不管啥时能用，不管用在哪儿，只要一味的追求性能，那就是材料科学的范畴。工程讲的是实际应用，材料的一个重要特征就是“料要成材、材要成器、器要好用”，其核心是材料要用起来，要发挥功能或功效，例如获得诺奖的玻璃光纤、石墨烯等不仅理论有突破，更都获得了巨大的实际应用，这几年时不时全球跨界沸腾的室温超导，其要点一旦突破，工程界将会有颠覆性变化，有句话“不以应用为目的的研究都是耍流氓”，说的有点过，但是话糟理不糙，作为工科，其目的就是要解决工程科学与技术问题，至少要面向应用找问题，而不是“两头在外”的实验室小时空试错性试验报告。材料专业只有实现了科学与工程的统一，才能真正体现自身的学科优势，才能发扬光大，才能做的长长久久。

理科和工科的统一。我国新版学科专业目录共有一级学科117个，最多的工学38个一级学科中只有6个可同时授予工学、理学学位，材料专业是其一。材料专业一般有两大源头，一个是工科的机械工程材料和冶金材料，一个是理科的化学和物理材料，例如原属于机械工业部高校的材料一般都从机械系的金属热处理发展而来，而一些综合性、师范大学的材料则从化学或物理发展而来，包括学科点建设，也有很多是从材料物理或材料化学发展而来。如果以杰青为例，研究下2000和2020年材料代码获批人的专业构成，应该发生了巨大的变化，当年可能工科一统天下，当下可能理工各占半壁江山，包括人才培养本身，内涵也发生了巨大的变化，不断丰富，不断壮大。上面的图也讲到材料科学与工程是联系基础科学、应用科学、工程的桥梁。去年办了一个半导体产业论坛，有一位资深的在国内和国外都工作过很多年的人说“半导体行业，只有材料人可以当总工，其他专业只能当工程师，负责一段，不可能负责全局”，这从另一个侧面也反映了材料专业的综合性，理工融合性。

现在和未来的统一。研究材料，更多讲的是当下，当下的成分、当下的结构、当下的性能，然而说材料和用材料，更多的关心还是未来，是服役。例如，一个PE自来水管，要求能用50年，甚至100年，100年风风雨雨、酸酸碱碱、震震荡荡，按照现在的人均寿命计算，很少有人能看到他们的开始和终结，但是PE管的使命却要实现100年的世纪跨越。能否应用100年，这由材料本质的性质、工艺和结构决定。所以人在做，天在看，当下做材料，上天看材料，看做的材料咋样，是否能经历未来的时间考验。面向未来100年，只能不浮躁，试着想想，做一个100年的试验，是否耗得起？但是有些领域确实需要长期的实验研究，甚至工业和实验的同步进行。所以材料专业、材料产业，是当下的制备和未来的应用的统一，当下做不好，未来肯定不好用，要想未来用得好，当下必须做得好，必须学得好，学好材料专业，认真研究材料特性，这样我们的百年工程、千年工程必将更多、名垂青史，屹立于世界之林。

形似和神似的统一。形就是外形，就是看上去怎么样？就是可以测绘的和空气接触的外露的形状，只要国人见过，一般都可以模仿、设计，甚至通过加班加点快速超越，所以形似难不倒国人，大裤衩、小蛮腰等奇形怪状的大楼很早都搞起来了。但是神似，是精气神，如同人的筋骨，看不见，但他是支撑人体的根本，例如腰椎，看不见，却是关键的承上启下的核心柱子，长期伏案等造成腰椎间盘膨出、突出比比皆是，甚至有年轻化趋势，而由此引发的股痛、腿疼、脚麻、不能走等五花八门的症状。而材料专业讲的是形和神，形是造型，是复杂的外形，例如多重小蛮腰式的螺杆，是材要成器，材料要体现出功能性；而神是材要耐用，材料要本质具有可设计的成分、组织、工艺和性能，从看不见的、精细的、内部的神，来支撑看得见的、粗狂的、外部的形长久的存在、显而易见、赞口不绝的存在，而大多工科专业的形基本都需要材料的神来支撑。

科技大国与科技强国的统一。大的不见得强，而强的也不见得大，如果大而不强，那就说明技术含量不高，随时可能被置换，随时可能被替代，赚的是辛苦，如果强而不大，有高度，但是可能腰身比较细，经不起暴风骤雨。对于不同的领域可能有不同的诉求，例如难熔金属钼行业，规模小，即使很强，但就业、科技、产业影响有限，而钢铁行业，规模大，影响大。如果是不到1000万人的人口小国，不可能做到大而强，单项冠军就行；但是对于我们这样一个占世界25%人口的大国来说，不光要大，也需要强。遥想1840年，我国的GDP当时是世界第2名的2倍，然而由于科技的落后，经不起鸦片战争的船坚炮利，被迫签订丧权辱国条约。材料专业和材料产业是什么，大和强的统一，例如我国早已经是世界第一大钢铁生产国，世界钢铁看中国，中国钢铁看河北，河北钢铁看唐山。唐山钢铁产量超过整个欧洲之和。我们做到了足够大，但是足够强么？5月份去一个做晶体硅金刚石切片线的企业交流，表面布满几微米大小金刚石颗粒的钢线形成切割线，钢线由钢条拉拔而成，钢丝越细钢线产量越高，更进一步减少切割的损耗，提高效率，降低成本，增加利润，然而需要拉拔的钢筋钢条国内却生产不了，就是拉不到30微米就由于加工硬化断了，不能保证应用，需要从邻国进口5mm直径的T10拉拔20余次到30微米，这和当年的圆珠笔芯有异曲同工之“妙”，其核心还是不强，是否需要再立一个大项目群，专门搞可拉拔30微米钢材的研究，未必，这里需要系统性思维，以材料成分组织为基础和出发点的全链条产业链质量提升思维。大势不可扭转，GDP世界第一2035年前后一定可以实现，但是如何做到大而强，需要材料专业和材料产业的支撑。强国梦的路径在哪里，材料科技强国，否则只可能是一个大国，而不是一个强国。

材料专业看似是一个专业，其实他是微观世界和宏观世界的统一，是过去的理论、现代的材料、未来的服役的统一（佛教有燃灯过去诸佛、释迦牟尼佛现在诸佛、弥勒未来诸佛），是外在的形和内在的神的统一等等，要想发展好工科诸专业，需要材料学科实实在在的基础内在支撑，要想发展好理科诸专业，需要材料学科实实在在的器件外在验证。因而，有必要倡导学习材料专业、大力发展材料事业，支撑全学科发展，最终实现科技强国梦想。

下图左图来自机械工业出版社 Smith WF著 材料科学与工程基础 英文版 原书第5版P7，右图为左图的翻译.