快乐的材料科学-(2)调侃与思考

暑期过了一大半，本打算前一个月照常工作，后一个月好好休假的，可休息几天后依然发现假期为”假”。与其如此，倒不如先以轻松的心情写点科普，顺便思考一些问题。

前回写了快乐的材料科学(1)-什么是材料，尽管从专业的角度看这个问题基本是清楚的，但人们仍可从不同的角度提出各种异议。这大概正所谓隔行如隔山吧，自然也无必要苛求不同领域的学者对外领域的概念得出完全统一的认识。而站在材料学者或材料系学生的立场理解了材料的内涵之后，自然要关心材料科学与工程(MSE)究竟是一门什么样的学问？

记得不同时期，同学与材料领域的同行们关于材料学科有许多令人捧腹的谈资。刚上大学时，有同学笑称，他拿到被材料系录取的通知书后，邻居们很为他委屈，“你考得那么好，怎么去学个将来当仓库保管员的专业呢？”好心的邻居们一定以为，材料系就是管材料的，自然可能成为仓库保管员。大学毕业后，据传有同学去单位报到，人事部门二话没说，将她安排到主管人事档案的重要岗位。当她去求情，要求换一个专业对口的岗位时，人事干部满脸错愕，“你不是学材料的吗，主管档案材料怎么能说专业不对口呢？这可是组织对你的重视呀！”该同学哭笑不得，欲辩无词。当时有人事干部不知道materials与documents之别，其实也不难理解。

再过了十几年后，随着新材料与材料科学在高技术领域的地位日益上升，有关知识也逐渐在整个社会得到广泛传播。连家庭主妇都好歹知道“纳米不是大米，也不是小米，是比小米更小的米”。我们自然渐渐听不到上述笑话了，随之而盛的是不同学科对材料学科以及材料学科内部各种调侃。其中外学科对材料学科最有名的调侃为：做材料就是炒菜，选好主材料后、味道全靠火候与调料，材料学家就是高级厨师。而材料领域内部最有趣的自嘲则是：材料学家其实是四不像，物理学家看材料学家像化学家，化学家看材料学家像物理学家，从基础科学的角度看材料学科像工程，而从工程的角度看材料学科则像科学。这两则著名笑谈虽然辛辣，却分别以调侃与自嘲的口吻，从某一侧面惟妙惟肖地勾勒出了材料学科的轮廓与特点、还有些许无奈。

       莞尔之后，且言归正传。首先，还是来读读L.H. Van Vlack先生在《Elements of Materials Science and Engineering》(5^th Ed., Addison-Wesley Publishing Company, Reading,1985)中对MSE给出的经典论述：

Simply stated, materials science and engineering (MSE) is concerned with the generation and application of knowledge relating the composition, structure, and processing of materials to their properties and uses. There is a linkage that interrelates the structure, properties, processing, function, and performance of materials. MSE operates as a knowledge-conduction band that stretches from basic science and fundamental research to societal needs and experience. The counter-current flow of scientific understanding in one direction and empirical information in the other direction intermix very synergistically in MSE.

简而言之，MSE是一门研究材料的成分/结构、制备/加工与其性能及应用之间关系的学问。若将成分/结构、制备/加工、性能/应用分别作为顶点，就可画出关于MSE的经典三角关系图。该三角关系图不仅清楚地描述了MSE的学科内涵，也形象直观地给出了其各构成要素间的相互关系。材料研究的终极目标是应用，不同的应用需要各自特定的性能与使用性能，而性能既决定于材料的成分也决定于材料的结构。由于制备或加工条件的不同，相同成分的材料往往可以表现出显著不同的各种性能，其根本原因在于材料的晶体结构与微观结构(相组成、缺陷、杂质、晶粒形貌/尺寸与分布、界面等)可随制备或加工条件而变。这既为材料研究带来复杂与不确定性，也为通过加工与微结构调控实现材料性能优化提供了依据。因此，材料研究的终极任务在于根据应用或潜在应用的要求、设计最佳的材料成分、选取最佳制备/加工手段与条件、最终通过获得最佳的结构实现最佳的性能。当然，也可以探索具有某一新功效的物质经成分与结构优化、获得最佳性能，然后寻找突破性应用的可能性。MSE的内涵本质上决定了其天然的亦理亦工的交叉学科属性。它不仅是基础科学与工程学科的交叉，更是物理与化学等学科的交叉。

回到前面的调侃与自嘲，发现核心问题是：材料科学能否超越炒菜而成为真正的科学？材料科学与物理学(尤其是凝聚态物理)、化学(尤其是无机化学与有机化学)之间究竟应该处于何种关系，可以被这两个学科覆盖吗？在调侃与自嘲之余，这两个关乎材料科学与材料学者立命之本的问题的确值得认真思考。……