问题

为什么材料学院发展至此?

回答
材料学院的兴盛,绝非一蹴而就,它是一部波澜壮阔的历史演进,是科学技术发展脉络中的重要节点,更是人类社会对物质世界不断探索和改造的缩影。要理解它为何发展至此,我们需要拨开历史的迷雾,深入其内在的驱动力和外部的时代背景。

回溯源头:对物质的本能渴求与早期探索

人类文明的黎明,材料的探索就已经悄然开启。最初,我们对物质的认知是朴素的,是对天然材料的直接利用:石器时代的石头、青铜时代的青铜、铁器时代的铁器,每一次材料的革新都直接推动了社会生产力的飞跃,带来了文明的巨大进步。火的发现,使得陶器和冶炼成为可能,这便是材料科学最早的萌芽。

到了近现代,科学的曙光照亮了物质世界的奥秘。物理学、化学的飞速发展,特别是原子理论、元素周期表的建立,为我们理解材料的本质提供了理论基石。科学家们不再满足于对材料的经验式改造,而是开始探究材料的原子结构、化学键合以及宏观性能之间的内在联系。

工业革命的助推:材料成为生产力变革的核心动力

工业革命是材料学院发展史上的一个重要转折点。蒸汽机的出现,对钢铁的需求量激增,促使冶金技术不断革新。铁路的修建,需要更坚固、更耐磨损的钢材;纺织机的发明,需要更精密的金属零部件。可以说,每一次工业革命的浪潮,都与材料的进步息息相关。

19世纪末20世纪初,随着化学工业的兴起,合成材料——塑料、橡胶、合成纤维——的出现,彻底改变了人类的生活方式。这些人工合成的材料,以其优异的性能、丰富的种类和低廉的成本,在航空、汽车、建筑、衣着等各个领域展现出强大的生命力,也标志着材料科学从传统的冶金、陶瓷、玻璃等领域,拓展到了更广阔的疆域。

二战的催化剂:前沿技术对材料的极致需求

第二次世界大战,可以说是材料科学发展的一个“催化剂”。战争的需求,对材料提出了前所未有的严苛要求。

航空航天领域: 飞机需要更轻、更强、耐高温的材料来提升飞行速度和作战性能。铝合金、钛合金、高温合金等材料的研究和应用得到了极大的推动。喷气式飞机的诞生,更是对涡轮叶片等核心部件的材料提出了极高的挑战。
核能领域: 原子弹和核反应堆的开发,需要对铀、钚等放射性元素及其合金进行深入研究,对核材料的纯度、稳定性、屏蔽性能等都有极高的要求。这催生了核材料科学这一全新的分支。
电子信息领域: 雷达、通信设备等电子器件的发展,对半导体材料、绝缘材料、导电材料等提出了新的需求。硅、锗等半导体材料的提纯和晶体生长技术,为信息时代的到来奠定了基础。

战后,这些在战争年代积累起来的材料科学技术,并没有随着和平的到来而停滞,反而成为了和平建设和社会发展的重要驱动力。

学科交叉与融合:现代材料科学的崛起

进入20世纪下半叶,随着科学技术的爆炸式增长,传统的材料研究方法已经难以满足日益复杂的挑战。材料科学逐渐从经验驱动转向了理论和应用驱动,学科间的交叉融合成为常态。

物理与材料的结合: 固体物理学、凝聚态物理学的理论,如能带理论、晶体缺陷理论、相变理论等,为理解材料的微观结构与宏观性能的关系提供了强大的工具。量子力学、统计力学等也深度介入到材料的性质预测和设计中。
化学与材料的结合: 有机化学、高分子化学、物理化学等为合成新材料、设计新反应提供了基础。表面化学、胶体化学等则在纳米材料、复合材料等领域发挥着至关重要的作用。
工程学与材料的结合: 材料力学、传热学、流体力学等工程学科,将材料的性能与实际应用的需求紧密联系起来,指导着材料的设计、加工和使用。

这种多学科的融合,催生了许多新的研究方向,如:

纳米材料: 对材料在纳米尺度(1100纳米)的独特性质进行研究,催生了纳米粒子、纳米线、石墨烯、碳纳米管等一系列颠覆性材料,在催化、储能、医疗、电子等领域展现出巨大潜力。
智能材料: 能够感知环境变化并做出相应响应的材料,如形状记忆合金、压电陶瓷、液晶材料等,在传感器、执行器、生物医学等领域有着广泛应用。
生物医用材料: 用于医疗诊断、治疗和康复的材料,如人工器官、药物载体、组织工程支架等,极大地改善了人类的健康水平。
新能源材料: 针对太阳能电池、锂离子电池、燃料电池等新能源技术开发的特种材料,是应对全球能源危机的关键。
先进复合材料: 将不同材料的优点结合起来,克服单一材料的缺点,如碳纤维增强聚合物(CFRP),在航空航天、汽车等领域实现了减重和性能提升。

信息技术与计算科学的赋能:材料设计的革命

进入21世纪,信息技术和计算科学的飞速发展,为材料科学注入了新的活力,开启了“材料基因组计划”等智能化材料设计的新篇章。

计算材料学: 利用高性能计算和先进的模拟算法(如密度泛函理论DFT、分子动力学MD等),可以从第一性原理出发,预测材料的结构、性能和反应过程,大大缩短了实验探索的时间和成本。
大数据与人工智能: 海量的材料数据积累,结合机器学习和人工智能算法,能够发现材料性能与结构之间的复杂关联,指导新材料的设计和优化。
高通量实验: 自动化和集成化的实验平台,可以并行进行大量材料的制备和性能测试,快速筛选出有潜力的材料。

这些新技术的应用,使得材料的发现和设计不再仅仅依赖于“试错”,而是能够更加精准、高效地进行,实现了材料科学从“经验科学”向“计算科学”和“大数据科学”的转变。

时代发展的驱动:可持续发展与战略需求

当今世界,材料科学的发展也受到时代发展的深刻影响。

可持续发展: 随着全球气候变化和资源枯竭问题的日益严峻,开发环境友好、可再生、可回收的绿色材料,已经成为材料科学研究的重要方向。例如,生物降解塑料、低碳建筑材料、高效能源转换材料等。
国家战略需求: 尖端技术,如人工智能、量子计算、5G通信、新一代航空航天等,都对高性能、特种材料提出了迫切需求。因此,各国纷纷将新材料列为国家战略性新兴产业,加大投入力度。
人民生活品质的提升: 随着生活水平的提高,人们对高性能电子产品、舒适居住环境、便捷交通出行、健康医疗等的需求不断增长,这都离不开材料的创新。

总结

因此,材料学院发展至今,是历史的必然。它是人类对物质世界永恒好奇心的驱使,是工业化进程对物质基础的持续要求,是科技革命对新型材料的不断催生,是学科交叉融合带来的智慧火花,更是信息技术和计算科学提供的强大工具,以及应对全球挑战和满足人民日益增长需求的时代呼唤。

从石器时代到信息时代,再到未来的智能时代,材料科学始终扮演着“基石”的角色,它承载着人类文明的每一次飞跃,也指引着我们探索更广阔的未来。材料学院的发展,就是一个不断突破边界、不断创造可能的过程,是人类智慧和勇气的结晶。

网友意见

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先说基本观点:

第一点:交叉学科难以驾驭

材料学是一个交叉学科,所以材料学的专业课需要很多其他专业的基础做铺垫,没有这些基础还要硬教硬学就只能死记硬背。

这样的结果就是应付考试还凑合,真上手会懵逼的。材料学本科生主要问题就是在于没有充分的时间去打这些基础,这是很要命的事情。

我在读硕士的时候我们学校一些老师把我们这些本校本科生召集起来问过一次。就是关于专业课到底开在什么时间比较好。

开的早了学生没有数理基础就变成了文科教学。开的晚了到毕业专业课都塞不完。后来怎么样了不知道,但听说材科基这个天坑提前了(默哀吧,小崽子们)

第二点:教材深度与认知水平

有深度的教材是有的,比如北科大余永宁先生的《材料科学基础》这本书。从本科用到博士,刚开始还是不信老先生所谓“本书800多页每处都是要点”……现在我服了……

有的教材确实写的很简单,比如上海交大版《材料科学基础》。写的简单不代表书不好,教材总要有入门级有进阶级,但是因为读了入门版就认为自己掌握了一切那就是傻了。

举个例子,我还在读研的时候翻过几个不同版本的材科基。上交版当时在介绍大角度晶界的能量时采用一句话带过的模式,大体就是:过于复杂,难以讨论。(不知道现在改新增了没)而北科大余永宁版就写的堪称天书了。

这本来是无可厚非的,以当时本科生的数理水平理解这部分确实难了点。但是我就见过不少新来的硕士张口闭口大角度晶界能量过于复杂不能讨论……这就不应该了

第三点:节奏太快,进度太杂

个人观点,材料这个专业至少要按本硕连读来招生才科学。前面说了,基础课要求多导致专业课不好开展。你可能会说了,本科生专业课学不多,硕士生补嘛。

其实,不是说对有些同学有恶意。硕士生的基础能力差距比本科生大太多。同样一门课,会出现有的同学觉得本科都讲过了,有的觉得太难了听不懂。所以,硕士阶段能进阶技能的都是极少数人。

大部分都是“师兄师姐,这个怎么办啊”就结束了硕士生了……

第四点:专业细分的问题

专业细分我认为是无解的一个问题,之所以还提出来不是说我杠精。是为了让后来者也知道:专业细分不等于别的专业课对你没用了。

比如细分为金属材料的同学一般不在乎硅酸盐的东西,同样细分为材料物理的同学有的甚至连轧制是啥都不知道。这个结果就是在后期这些只是融汇到一起的时候直接懵了。

别问我咋知道的倒也是懵过来的……

第五点:要求太高,难以胜任

这么说吧,我觉得相当一个合格的材料专家……基本上加把劲就是一个合格的物理专辑和一个合格的化学专家了……搞不好还是个合格的码农呢

第六点:理论繁多,良莠不齐

材料学的理论可有意思了:

被公认的由材料学单独演进为理论的只有位错理论。但是材料学用得到理论可谓五花八门,以至于甚至见过审稿人怼参考文献(中的理论)的情况。

原因还是材料学是工科,工科相比理科是有不同的。举个我们老师常说的例子:

铁素体晶格常数是0.286个nm,你换个更厉害的方法也变不成2.86nm。这就是科学。

当下透射电镜的分辨率在50pm左右,过个10年可能就是25pm,这就是技术。

工科是依赖于技术的学科,所以知识和理论要不断迭代更新。同时工科又是建立在科学的基础上的,有些基础理论又是短时间内雷打不动的。

刚上手的时候会有一种懵逼的感觉,你不知道该信谁,也不知道那个地方已经过时了那个地方仍然有效力。

第七点:种类繁杂,此材料非彼材料

这也是我最讨厌别人总是说“你们材料好发文章”的说法。什么“if不到10的文章在材料里就是渣渣”

有的领域,确实好发,比如纳米、薄膜、催化、生物材料、功能器件、腐蚀防护等等

有的领域确实难发,比如金属、混凝土、冷热加工等等

有的领域堪称天坑:比如碳钢(搞纯碳钢的个个都是神仙)以及类似的极为成熟的材料

而这些小领域其实也都不小,还能再划分出十来个小小领域。你比如说我们搞金属的,和搞纳米的比acta之下毫无能打的……但是……你也得发的出去啊

这就导致了非公平竞争这个大问题。都说工程技术类的鄙视材料类好发高if的文章,我们搞金属的为什么也要一起被鄙视呢……so sad

最后一点:成立材料学院才是正确的选择

因为材料太复杂而各部分之间联系又割不断,因此成立一个统筹各方的学院才是有效利用多方资源的方法。

实际上不仅材料学院是这样,现在的很多学院都是交叉的,比如生物的还是单纯的生物吗?

只不过现在有效利用多方资源做的不太好罢了。但随着科学的发展,尤其是工科各学科之间界限被逐渐打破是大趋势。也许未来甚至会会有工学部这样融合度更大的二级单位存在。

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材料这专业的尴尬之处在于,其实这行业只需要大专生博士生。本科生和研究生严重多余。材料行业需要两种岗位,一种是大专生,能够按照recipe操作设备。一种是博士生,能够研发新材料,开发recipe。

一方面,材料学院的课程严重大专化,低数理强度,低知识密度,大量充斥着百度百科式的“背多分”水课。你都无法想象核心专业课“金属学与热处理”考试里大量充斥着如下的填空题,选择题,判断题和名词解释题和简答题。我考试的时候都感觉受到了“冒犯”。

除了考试之外,课程实验也严重大专化,做实验就是拿着实验报告,到机器旁边按照顺序按一遍按钮,然后记录几个结果,回去描点画个线,完事了。还有计算机模拟辅助分析实验,原本以为要学习高大上的计算机图形学和有限元方法了,结果去了还是按照说明点点点,操作一遍软件,跑几个值,画几个图。说实话,这样的实验真就是为专科设计的,或者说本科学完跟专科一样。

一方面,材料要研发点有用的新东西非常难,至少博士起步。想理解真正新材料的研发,可以看看我下面这个回答,本科生研究生真的做不了什么。(当然中村修二是个天才)

材料体系本身就非常复杂,要能在这样的复杂体系里剥丝抽茧,提炼归纳,本身就需要极高的理论水平。所以正如曹则贤说的,要做材料,首先要学好物理学。否则很轻易就变成排列组合的炒菜学。很多灌水的老板做石墨烯,曹原也做石墨烯,但你觉得他们真做的是同一个东西?

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