| 1.1　材料對人類社會發(fā)展的推動作用 |

縱觀人類文明的發(fā)展歷史，材料的應用一直是科技發(fā)展的一個重要指標（見圖1-1）。人類文明的早期都是以當時使用的材料命名的。在石器時代，對材料和形狀的認識使人們能夠制造出粗糙的石器。在青銅時代，人們發(fā)現(xiàn)銅比石料更易于成形，因此開發(fā)了其新用途，例如制作成烹飪和貯存食物的器具；而后人們使用青銅制造出更堅固的器具和工具。在鐵器時代，鐵的發(fā)現(xiàn)及其在武器等方面的應用進一步加深了人類對金屬的認識。從鐵到鋼鐵的發(fā)現(xiàn)標志著科學的巨大進步。而進入工業(yè)時代和信息時代后，大量的新材料不斷涌現(xiàn)。每一種新材料的發(fā)現(xiàn)都帶來了全新的應用，拓展了人類生存的物質世界，不斷推動著科技的快速發(fā)展。

圖1-1　不同歷史時期的材料發(fā)展（年份坐標非線性）

由此發(fā)展而來的材料科學與工程學科，目的是獲得有關材料的知識，以便生產具有所需特性的材料。材料的結構和性能取決于材料的化學元素組成。材料科學的基礎是建立材料性能與其原子結構之間的關聯(lián)，而材料工程的相關研究是要在分子尺度上建立材料結構與其宏觀特性之間的聯(lián)系。材料科學與工程學科是一門涉及基礎知識廣泛的學科，化學、物理、機械和土木工程的基礎知識都涵蓋其中。近年來，伴隨著納米技術和信息技術的發(fā)展，材料科學與工程學科的發(fā)展取得了長足的進步。材料科學與工程學科在工業(yè)應用中扮演著重要的角色，不僅完善了目前使用的材料體系，而且極大地推動了新產品和新技術的創(chuàng)造。材料科學與工程學科主要包括材料設計、加工改進和分析技術，其作用是將材料提取并轉化為有用的結構。材料的化學元素組成至關重要，即使是少量不重要元素的缺失、存在或偏差都可能對材料的最終性能產生顯著影響。例如，鋼中碳含量發(fā)生微小變化，會從根本上改變鋼的特性，從而影響其在鋼鐵工業(yè)中的使用。

科學技術在各個領域都在飛速發(fā)展，材料科學技術的進步對此起到了關鍵的作用。目前，材料科學的發(fā)展速度超過了歷史上任何時期，它通過不斷改善現(xiàn)有產品的功能，開發(fā)新技術，從而全方位改善人類生活（見圖1-2）。因此，材料學已成為對全球經濟產生重大影響的重要學科。每項技術都基于一定的科學原理，新技術的誕生通常建立在對這些科學概念的深刻理解之上。例如，發(fā)電機的工作原理涉及電學、磁學、熱傳導、旋轉動力學和摩擦學等知識，飛機機翼周圍的空氣流動是產生升力的原因，制造噴氣式飛機則需要運用金屬和合金的化學知識及推進原理等科學概念。近年來，材料科學技術方面取得的突破有助于制造用于輕型車輛的碳纖維復合材料、更耐用噴氣發(fā)動機的先進合金，以及替代人類關節(jié)的生物材料和機器人的人工肌肉，也有助于實現(xiàn)高效能量存儲和量子計算。鋰離子電池在可再生能源存儲方面發(fā)揮著重要作用，進一步降低了太陽能和風能的價格，并能與煤炭和汽油競爭。以石墨烯為代表的低維材料的性能遠超現(xiàn)有材料，在傳感器、高性能晶體管、柔性器件、藥物輸送、3D打印、太陽能電池和智能織物等領域引發(fā)革命性應用。鈣鈦礦等新型光伏材料極大地推動了太陽能電池的發(fā)展，有望使光電轉換效率達到60%以上，轉換效率遠超硅基太陽能電池。

圖1-2　應用驅動新材料的發(fā)展

材料科學技術的重大突破對人類社會的發(fā)展至關重要。假設在20世紀80年代制造出今天的智能手機，約需1.1億美元，功率近200 kW，且相關設備將有14 m高。如今，材料科學技術已經使智能手機大眾化，體現(xiàn)了材料進步的力量。遠不止此，材料科學與工程是能源、環(huán)境、交通和醫(yī)學等領域無數突破的核心。例如，在抗擊新型冠狀病毒感染（COVID-19）疫情的前線，材料研究人員積極推進生物材料、納米技術及相關材料研究，助力疫情防控。

人類正處在一場材料科學革命中。早在2011年，美國提出材料基因組計劃（Materials Genome Initiative，MGI），旨在使用開源方法和人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術，加快材料科學的創(chuàng)新步伐，這是應對能源、國家安全、人類生存和發(fā)展等重大挑戰(zhàn)的關鍵。通過AI繪制出數以億計的氫、硼、鋰、碳等元素的可能組合圖，創(chuàng)建一個巨大的數據庫，允許研究人員對元素周期表進行“即興演奏”。這張全新的物理世界“地圖”讓研究人員比以往任何時候能更快地組合元素，創(chuàng)造出各種新奇的材料和結構。材料制備技術的發(fā)展進一步加速了這一過程，使研究人員能夠在全新的尺度（從納米尺度到原子尺度）下開展材料學研究。目前，單原子材料已被成功合成出來并實現(xiàn)了應用。