有哪些材料科学上的事实，没有一定材料学知识的人不会相信？
咱们聊点你可能听了会觉得“这不太可能吧”的材料科学话题，但它们都是千真万确的事实，而且没有点门道的人，确实很难往这方面想。
1. 你手中的手机屏幕，可能比你想象的要“软”得多
很多人觉得手机屏幕就是一块硬邦邦的玻璃，摔一下就碎了。这没错，但你想想，玻璃是怎么做到的？它其实是一种“过冷的液体”，更准确地说，是一种非晶态固体（Amorphous Solid）。
这里的关键在于“非晶态”。大多数我们熟悉的固体，比如金属、食盐，它们的原子或分子排列得非常整齐，像一堆叠放得一丝不苟的积木，形成规则的晶格结构。这种结构赋予了它们坚硬、易碎（脆性）以及在一定温度下才会熔化的特性。
但是，玻璃的原子排列就像一堆随意堆积的沙子，没有长程的有序性。这种混乱的结构导致玻璃在加热时，不像晶体那样在某个确定的熔点上突然变成液体，而是随着温度升高，越来越“软”，粘度逐渐降低，最终变成可以吹制、拉伸成型的熔融状态。
所以，你以为的“玻璃”其实是一种“冻结”的液体。这也就解释了为什么有些古代玻璃制品，比如罗马时期的彩色玻璃，会随着时间推移，底部比顶部更厚一些——那是因为在漫长的时间里，玻璃的分子一直在非常缓慢地“流动”，就像一种非常粘稠的液体一样。当然，这种流动速度极其缓慢，肉眼几乎无法察觉，但理论上是存在的。
为什么没材料学知识的人难以置信？
因为我们日常生活中对“固体”的认知，大多基于晶体。我们习惯了固体就是坚硬、有固定形状，加热到一定温度就融化的。玻璃的“流动性”和“非晶态”的概念，挑战了我们对固体物质的基本分类和理解。
2. 有些金属，在你眼前会“融化”成粉末，但你不碰它，它就是个坚硬的块状物
听起来是不是有点像魔术？但这是真实发生的，而且和材料的“相变”有关。
你可能知道，铁在高温下会变成液体。但你可能不知道，有些金属，比如镁（Magnesium），它在常温下是坚硬的金属块。但如果你把它磨成非常细小的粉末，然后暴露在空气中，它会发生一种叫做自燃（Spontaneous Combustion）的现象。
具体来说，镁的粉末表面积非常大，和空气中的氧气接触非常充分。虽然在块状时，镁和氧气的接触面积有限，表面会形成一层氧化镁保护层，阻止进一步反应。但一旦变成细粉，氧化镁的保护作用就大大减弱，而且有足够的表面积让镁与空气中的氧气剧烈反应。
这种反应会释放大量的热量。如果粉末足够细，并且堆积在一起，产生的热量无法及时散发出去，温度就会迅速升高，直到达到镁的燃点，然后发生燃烧。这个燃烧过程看起来就像金属粉末在眼前“融化”一样，释放出耀眼的白光，产生氧化镁。
更神奇的是，这种反应不仅仅是镁。一些活性金属（Reactive Metals），如铝粉，在特定条件下（比如遇到氧化剂，或者被引燃）也能发生剧烈的燃烧。甚至有一些合金，比如某些镁铝合金，如果表面处理不当，或者受到某种刺激，也能产生类似现象。
为什么没材料学知识的人难以置信？
因为我们对金属的认知，通常是它“不会燃”的。我们知道木头、纸会烧，但金属似乎是防火的代表。看到金属粉末在眼前凭空燃烧，而且是被我们认为是“不会烧”的金属，这完全颠覆了我们的常识。而且，同样的金属，块状时安然无恙，变成粉末却能燃烧，这种状态的改变带来如此剧烈的性质变化，也足够令人惊讶。
3. 某些“玻璃”，比钢铁还要坚固，但它可能比你家的窗户玻璃还要透明
提到玻璃，我们首先想到的是易碎的窗户玻璃。但材料科学中的“玻璃”概念，远比这个广泛。
我们刚才提到玻璃是非晶态固体。那么，如果我们能设计出非晶态的合金，让它们的原子排列“混乱”，但同时又足够“紧密”，会不会得到既坚硬又不易碎的材料呢？
答案是肯定的。科学家们开发出了一类叫做金属玻璃（Metallic Glasses）或者非晶态合金（Amorphous Alloys）的材料。它们是通过极快的冷却速度，阻止金属原子形成规则的晶格结构，从而保留了玻璃的非晶态特性。
这些金属玻璃，特别是某些锆基、铂基、铁基的金属玻璃，它们的屈服强度（Yield Strength）和抗拉强度（Tensile Strength）可以达到甚至超过许多高性能钢材。而且，由于没有晶界（Crystal Boundaries），也就是晶体结构中的薄弱环节，它们在受到外力时，变形分布更均匀，因此也比传统的晶体金属更不易产生裂纹，抗疲劳性能也更好。
更不可思议的是，这类金属玻璃在加工过程中，可以通过特定的工艺，例如溅射（Sputtering）或化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD），形成非常薄的薄膜。这些薄膜可以异常透明，甚至能够透射可见光。想想看，一种比钢铁还坚固的材料，竟然可以是透明的！
为什么没材料学知识的人难以置信？
“金属”和“玻璃”在我们认知里是风马牛不相及的。金属就是金属，玻璃就是玻璃，前者坚固，后者易碎。将两者结合，并且让“金属”表现出“玻璃”的非晶态特性，同时保留甚至超越钢铁的强度，这本身就很颠覆。更别说这种“玻璃”竟然可以是透明的，让人难以将“坚固”和“透明”这两个属性与同一种材料联系起来。
4. 有些材料，你用手捏它，它会“记住”你的形状
这听起来像科幻电影里的情节，但它确实是材料科学中的一个重要研究领域，叫做形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMAs）。
最著名的形状记忆合金是镍钛合金（Nitinol, NiTi）。这种合金在你第一次加热到某个特定温度时，可以被塑造成任何你想要的形状。然后，你可以将它弯曲、变形，让它变成一个完全不同的样子。
神奇的地方在于，当你再次将它加热到另一个临界温度时，它会“奇迹地”恢复到你第一次赋予它的原始形状，就像它“记住”了之前的样子一样。
这是怎么发生的呢？这涉及到材料内部一种叫做马氏体相变（Martensitic Transformation）的结构变化。在低温下，镍钛合金处于一种叫做马氏体的相态，它的原子排列比较容易变形。当你对它施加外力时，马氏体结构会发生可逆的转变，吸收你施加的力，导致形状改变。
当温度升高到一定程度时，它会转变为另一种叫做奥氏体的相态。这种相态具有“记忆”原始形状的特性，一旦达到奥氏体相，材料就会重新排列其原子，恢复到第一次塑形时的样子。
为什么没材料学知识的人难以置信？
我们生活中接触到的绝大多数材料，一旦被塑形，就只能保持那个形状。如果你弯曲了一个铁丝，它就会保持弯曲的状态，除非你再用力去掰回来。而形状记忆合金却能“自行”恢复原状，这完全违反了我们对物体力学性质的直观认知。它就像是有“自我意识”一样，能够“记得”自己的初始状态，这确实很令人费解。
这些材料科学的奇妙之处，往往隐藏在看似寻常的物质背后，它们挑战着我们对世界的固有认知，也展示了材料科学无穷的创造力和可能性。
1. 你手中的手机屏幕，可能比你想象的要“软”得多
很多人觉得手机屏幕就是一块硬邦邦的玻璃，摔一下就碎了。这没错，但你想想，玻璃是怎么做到的？它其实是一种“过冷的液体”，更准确地说，是一种非晶态固体（Amorphous Solid）。
这里的关键在于“非晶态”。大多数我们熟悉的固体，比如金属、食盐，它们的原子或分子排列得非常整齐，像一堆叠放得一丝不苟的积木，形成规则的晶格结构。这种结构赋予了它们坚硬、易碎（脆性）以及在一定温度下才会熔化的特性。
但是，玻璃的原子排列就像一堆随意堆积的沙子，没有长程的有序性。这种混乱的结构导致玻璃在加热时，不像晶体那样在某个确定的熔点上突然变成液体，而是随着温度升高，越来越“软”，粘度逐渐降低，最终变成可以吹制、拉伸成型的熔融状态。
所以，你以为的“玻璃”其实是一种“冻结”的液体。这也就解释了为什么有些古代玻璃制品，比如罗马时期的彩色玻璃，会随着时间推移，底部比顶部更厚一些——那是因为在漫长的时间里，玻璃的分子一直在非常缓慢地“流动”，就像一种非常粘稠的液体一样。当然，这种流动速度极其缓慢，肉眼几乎无法察觉，但理论上是存在的。
为什么没材料学知识的人难以置信？
因为我们日常生活中对“固体”的认知，大多基于晶体。我们习惯了固体就是坚硬、有固定形状，加热到一定温度就融化的。玻璃的“流动性”和“非晶态”的概念，挑战了我们对固体物质的基本分类和理解。
2. 有些金属，在你眼前会“融化”成粉末，但你不碰它，它就是个坚硬的块状物
听起来是不是有点像魔术？但这是真实发生的，而且和材料的“相变”有关。
你可能知道，铁在高温下会变成液体。但你可能不知道，有些金属，比如镁（Magnesium），它在常温下是坚硬的金属块。但如果你把它磨成非常细小的粉末，然后暴露在空气中，它会发生一种叫做自燃（Spontaneous Combustion）的现象。
具体来说，镁的粉末表面积非常大，和空气中的氧气接触非常充分。虽然在块状时，镁和氧气的接触面积有限，表面会形成一层氧化镁保护层，阻止进一步反应。但一旦变成细粉，氧化镁的保护作用就大大减弱，而且有足够的表面积让镁与空气中的氧气剧烈反应。
这种反应会释放大量的热量。如果粉末足够细，并且堆积在一起，产生的热量无法及时散发出去，温度就会迅速升高，直到达到镁的燃点，然后发生燃烧。这个燃烧过程看起来就像金属粉末在眼前“融化”一样，释放出耀眼的白光，产生氧化镁。
更神奇的是，这种反应不仅仅是镁。一些活性金属（Reactive Metals），如铝粉，在特定条件下（比如遇到氧化剂，或者被引燃）也能发生剧烈的燃烧。甚至有一些合金，比如某些镁铝合金，如果表面处理不当，或者受到某种刺激，也能产生类似现象。
为什么没材料学知识的人难以置信？
因为我们对金属的认知，通常是它“不会燃”的。我们知道木头、纸会烧，但金属似乎是防火的代表。看到金属粉末在眼前凭空燃烧，而且是被我们认为是“不会烧”的金属，这完全颠覆了我们的常识。而且，同样的金属，块状时安然无恙，变成粉末却能燃烧，这种状态的改变带来如此剧烈的性质变化，也足够令人惊讶。
3. 某些“玻璃”，比钢铁还要坚固，但它可能比你家的窗户玻璃还要透明
提到玻璃，我们首先想到的是易碎的窗户玻璃。但材料科学中的“玻璃”概念，远比这个广泛。
我们刚才提到玻璃是非晶态固体。那么，如果我们能设计出非晶态的合金，让它们的原子排列“混乱”，但同时又足够“紧密”，会不会得到既坚硬又不易碎的材料呢？
答案是肯定的。科学家们开发出了一类叫做金属玻璃（Metallic Glasses）或者非晶态合金（Amorphous Alloys）的材料。它们是通过极快的冷却速度，阻止金属原子形成规则的晶格结构，从而保留了玻璃的非晶态特性。
这些金属玻璃，特别是某些锆基、铂基、铁基的金属玻璃，它们的屈服强度（Yield Strength）和抗拉强度（Tensile Strength）可以达到甚至超过许多高性能钢材。而且，由于没有晶界（Crystal Boundaries），也就是晶体结构中的薄弱环节，它们在受到外力时，变形分布更均匀，因此也比传统的晶体金属更不易产生裂纹，抗疲劳性能也更好。
更不可思议的是，这类金属玻璃在加工过程中，可以通过特定的工艺，例如溅射（Sputtering）或化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD），形成非常薄的薄膜。这些薄膜可以异常透明，甚至能够透射可见光。想想看，一种比钢铁还坚固的材料，竟然可以是透明的！
为什么没材料学知识的人难以置信？
“金属”和“玻璃”在我们认知里是风马牛不相及的。金属就是金属，玻璃就是玻璃，前者坚固，后者易碎。将两者结合，并且让“金属”表现出“玻璃”的非晶态特性，同时保留甚至超越钢铁的强度，这本身就很颠覆。更别说这种“玻璃”竟然可以是透明的，让人难以将“坚固”和“透明”这两个属性与同一种材料联系起来。
4. 有些材料，你用手捏它，它会“记住”你的形状
这听起来像科幻电影里的情节，但它确实是材料科学中的一个重要研究领域，叫做形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMAs）。
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神奇的地方在于，当你再次将它加热到另一个临界温度时，它会“奇迹地”恢复到你第一次赋予它的原始形状，就像它“记住”了之前的样子一样。
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当温度升高到一定程度时，它会转变为另一种叫做奥氏体的相态。这种相态具有“记忆”原始形状的特性，一旦达到奥氏体相，材料就会重新排列其原子，恢复到第一次塑形时的样子。
为什么没材料学知识的人难以置信？
我们生活中接触到的绝大多数材料，一旦被塑形，就只能保持那个形状。如果你弯曲了一个铁丝，它就会保持弯曲的状态，除非你再用力去掰回来。而形状记忆合金却能“自行”恢复原状，这完全违反了我们对物体力学性质的直观认知。它就像是有“自我意识”一样，能够“记得”自己的初始状态，这确实很令人费解。
这些材料科学的奇妙之处，往往隐藏在看似寻常的物质背后，它们挑战着我们对世界的固有认知，也展示了材料科学无穷的创造力和可能性。
网友意见
真正实用的纳米材料都不带纳米前缀，纳米材料并不完全是噱头。
比如说催化材料，载体催化剂的活性中心基本都是纳米颗粒，随手截个图，
如图所示是一种金催化剂，金本身性质非常不活泼，常规不会考虑作为催化剂，但当粒度到达纳米级别时呈现出了优异的催化生产双氧水的活性。
虽然常常吐槽做纳米材料的是灌水，但现在受一些纳米材料的文献启发很大。
变色龙其实不需要分泌色素就能改变颜色。
变色龙这种动物应该算是家喻户晓了，它可以改变自己的肤色，来达到伪装、防晒、求偶等诸多目的：
一直以来，大家都认为这个变色技能是通过分泌不同颜色的色素来完成的。 但最近的一项研究表明，这种变色技能实际上与一种称为光子晶体的材料有关。变色龙只要将皮肤内光子晶体的结构重新排列就可以改变自己的肤色，并不需要分泌特定的色素。
光子晶体，其实就是把不同折射率的材料周期性的规则排列起来。当周期性排列的尺度与可见光波长相近时，光会在周期性的材料之间规律的发生干涉和衍射，使得特定波长的光无法穿透光子晶体。
哪些波长的光能透过，哪些波长的光被阻挡，是由光子晶体的结构决定的。变色龙只要控制皮肤内光子晶体的排列形式，就能让不同波长的光透过，从而改变自己的颜色。如果把光子晶体比作一副麻将，你把它搓乱了它可能是白色的，堆整齐了它说不定就变成绿色了，是不是很神奇？
这中通过改变结构，来选择性的滤掉一部分波长的行为，与电子在晶体材料内的运动非常相似。
电子具有波动性，在金属中是可以自由传播的，在绝缘体中却不行。这是因为绝缘体晶体选择性的禁止了一部分波长的电子传播（我们称之为禁带）。
但如果你对绝缘体晶体加压，通过改变其原子间距来改变其过滤的波段。就使得原本不能传播的电子变得可以传播了，绝缘体也就变成了导体，这种转变称为Wilson转变。
参考文献：Photonic crystals cause active colour change in chameleons
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