六十年代初，美国决定在六十年代末将人类送上月球。对当时科学界以外的人说来，这是一个空前艰巨和惊人的目标。其实，美国当时已掌握了实现这一目标所需要的基本知识，当时所需的只是投入足够的财力和实现这一壮举的决心。与此形成对照的是，尽管人类在过去10年中对癌症的研究耗费了巨额资金，人们仍然没有找到医治癌症的有效方法。这是因为，要在对癌症的斗争中取得突破，人们还需要获得关于癌症的新的基本知识。

正像登月一样，今天新材料的开发与生产主要是受到现有财力限制的问题。过去，新材料是靠试试改改的方法制备出来的。研究人员制备出一系列化学组成相差不大的合金，然后将这些合金的各种性能与它们不同的原子结构联系起来。

今天，材料科学家与工程师已掌握了足够的关于原子键合的基本知识，因而可以预测和设计新材料。在许多情况下，我们可预先确定我们所需的材料应具备的性能，再制备出具备这些性能的材料，我们可以把铅转变成金，或把碳转变成金刚石。我们可以制造出可与最坚硬的钢相媲美的高强度聚合物和陶瓷。我们之所以能够实现这些奇迹，主要是因为我们对量子力学（研究电子在固体中的运动情况的物理学）有了更深入的认识，以及对材料的结构与其性能之间的关系有了更清楚的了解。在材料的分析与工艺上取得的新的技术进步也对材料科学与工程发展到今天的水平作出了贡献。

但是，在实验室中能够实现的，并不一定适合于工业化生产，至少在目前来说是如此。某些观察家认为，从实验室中可能的到工业上可行的转变只是个细节问题，但历史告诉我们，这个细节往往需要数十年的时间和大量资金。研制新材料对于材料科学家和工程师们无疑是最感兴趣的问题。然而，美国工业界应将其相当大部分的财力和技术力量用于研究如何将新材料投入大规模的商业应用，而不是用于发明更新的材料。

材料科学的开端

十九世纪末叶英国地质学家亨利 · 克利夫顿 · 索比（Henry Clifton Sorby）发现，将钢的表面磨光并用酸腐蚀后，可看出钢的结晶结构。当用酸选择性地腐蚀钢结构的某些部分后，整个结构在显微镜下就变得清晰可见。从此，新材料的研究与开发被公认为一门科学。

在对化学组成不同、经过不同热处理的钢反复进行上述试验后，索比和其他研究人员能将每一种钢的结构与其机械性能联系起来。他们还注意到，低强度钢具有大量的主要由铁原子构成的浅灰色晶体，他们当时称这种晶体为铁素体。高强度、耐磨的高碳钢具有称为珠光体的较暗而有光泽的组织。珠光体是纯铁晶体与高碳铁晶体的混合物。由于索比的研究，科学家们才开始对材料的性能、结构和加工工艺之间的关系有了清楚的认识。至今，这些关系仍然是材料科学与工程的基础。

本世纪二十年代，科学家们发现X光可用来分辨比用光学显微镜见到的更细微的结构。用X射线照射某种材料，观察它们由不同的原子平面上反射出来的角度，研究人员便可测出某一晶体中原子之间的距离，并确定这些原子在空间是如何排列的。X射线CAT扫描仪测量人体组织的断层图以揭示难以用肉眼辨别的三维病变一样，通过一系列的二维测量来确定一个固体的三维晶体结构。

由于X射线的应用，科学家们终于弄清了一种称为硬铝的铝铜合金为什么会比原来的铝或铜的合金强度高得多。硬铝在加热到高温时快速冷却会大大降低其强度，而将其重新加热到适中温度后，其强度会比原来增加五倍。X射线分析表明，硬铝在加热又快速冷却后，晶体中会形成细小的粒子。如再将其加热到适中温度时，这些粒子会同铝结构的其它部分分离，形成由铝包围着的富含铜的区域。这种“沉淀”技术大大增加了铝 - 铜合金的强度。

这是对沉淀工艺如何使金属得到强化作出的第一次解释，这种解释仍然是今天大多数高强度铝合金的基本原理。但沉淀理论却无法解释钢是如何被强化的。10年后，美国的埃得加 · 贝恩（Edgar Bain）首次发现了其中的奥秘，铝的强化依赖于细微粒子的形成，而钢的强化是由于晶体本身发生畸变。钢被加热又被快速冷却后，原子本身会重新排列。

量子理论的贡献

卅年代量子力学解释了固体中电子的运动情况，使材料科学与工程获得了又一次重大发展。在气体中，围绕原子核运转的电子具有某些固定的能级。例如，钠原子中的电子具有23个分离的能级。

但是，当气体凝固时，原子重组成固态晶体结构。按照量子理论，此时有些能级会变得“模糊化”（Smear-ed），即这些分离的能级不再是固定的，与气体中的电子不同，固体中的电子只能在某一有限的范围或能带内存在。这些不同能量表明电子是如何在原子核周围聚集的，以及原子之间是如何结合的。原子间的键合方式决定了固体中的一切化学反应。因此，对于材料为什么会具有某一性能，量子理论也提供了解释。

例如，量子力学表明，固体中的电子只能在特定的能级上吸收光。与其它固体中的电子比较起来，金属中的电子只在很小的能级上吸收光。这就是为什么金属被认为是良好导体的原因。量子理论也解释了玻璃透明的原因，这是因为玻璃中的电子不能吸收可见光的光子，其光子可毫无阻碍地穿过玻璃。

上述理论上的发现已导致了重要的技术突破。例如，在量子理论提出以前，科学家们已认识到某些材料原子的能带是全部被电子占满的，这样的材料是电绝缘体。当时人们已知，既然电子没有了跃迁的余地，也不能从一个能带转移至另一个能带，它们只能在电压极高的情况下才会有反应。但量子理论表明，另一些材料如硅和锗却具有可变性，它们既可作电绝缘体，又可作导电体。在一般情况下，这些半导体（或半绝缘体）的电子能带被全部填满，故表现为绝缘体。

但是如果将一定数量的电子注入一个硅晶体，某些原有的电子会从它们原来所在的能带被挤到另一能带，从而使其成为一个导体。通过调节注入的电子数目，我们就可以如同开关水龙头一样打开和关闭电流。正是这种变换和控制硅的电阻的能力才使我们生产出了晶体管，即今天半导体芯片的先驱。

晶体管的发展历史表明，制造工艺对材料的成功发展极为重要。首次生产出的晶体管的废品率极高，因为硅晶体和锗晶体中含有的杂质破坏了它们的电子结构。直到贝尔实验室的威廉 · 范恩（Willian Pfann）表明：将硅和锗在一种称为区域提炼法（zone refining）的工艺中交替熔化和冷凝，可得到纯度极高的硅和锗。此后，晶体管的大规模生产才变得实际可行。后来，得克萨斯州的研究人员将导电硅的整个电路印制在一块芯片上，综合了硅的导电性和绝缘性的两个特点，因而生产出了第一块集成电路片。

观测固体内部的显微结构

从显微乃至原子水平分析晶体结构的技术的发明，又一次大大推动了材料科学的发展。本世纪五十年代透射电子显微镜的应用，使研究人员能够观测分辨比用光学显微镜所能观测分辨的小1000倍的晶体结构。六十年代制成的扫描电子显微镜将晶体表面放大到了前所未有的程度，而用电子微探针则可对这些表面进行显微化学分析。七十年代研制成的俄歇（Auger）电子能谱仪为进行晶体表面的微量化学分析提供了更为精密的手段。

扫描隧道效应显微镜（the scanning tunneling microscope）这一最新技术，它将一个探针置于距一个晶体仅几个原子间距的距离内，以测量电子越过晶体与探针之间的间隙的速率。这可同时显示原子的电子结构和几何结构（即原子之间的间隔距离）。扫描隧道效应显微镜是第一种能同时测量这两种结构的仪器。

由于应用了这些新技术，材料科学家能够将材料的结构与越来越多的材料性能联系起来、从材料的机械性能、电学性能、光学性能、磁性能，直至表面性能和界面（集合在一种材料中的晶体之间的边界）性能等。对于不同原子结构与某些特定性能之间的关系了解得越多，就越能精确地设计出我们所需要的材料。

材料科学与工程进入新纪元的标志，不仅仅表现在研究材料特性的技术得到了改善/而且材料科学在很大程度上已不再是一种缺乏理论知识的学科。因为我们不仅能从理论上预测材料的性能，而且能制备出按理论构思的材料。高速计算机的用使材料科学家和工程师能充分发挥量子理论的作用。现在我们不仅能计算出一个氢原子（氢原子只含一个质子和一个电子）的电子密度与性质，而且可计算出聚集在晶体中的成百上千个原子中的电子密度与性质。

这些计算涉及大量数字处理，离开电子计算机，这种计算是无法完成的。例如，一个钠原子含有一个原子核和23个电子，即使要计算出仅仅一个电子的性质，就必须解决上千个量子力学方程。我们必须首先解决原子核与电子1的方程，其后解出原子核与电子2的方程，如此类推，直至原子核与电子23的方程。此后，还必须解决电子的不同组合的方程。这样，即使计算出最微小的晶体的性能也需要进行一万亿次计算。

这样的计算使材料科学家们对晶体表面电子的性质有了全新的认识。例如，实验表明一种铂与镍随意混合的合金，其外部原子层中铂的比例为99%，而表面下一层铂的比例仅为30%、了解这一情况后，我们就可通过量子力学上的计算，以前所未有的精度预测该合金表面电子的性质。

了解这一情况之所以重要有几个原因。合金表面的电子控制着加速化学反应的催化能力。而且，由于我们设计的电子线路越来越细小，其表面对体内之比越来越大，因此，表面电子的性质变得可以左右整个电路的性能。

按原子制备材料

对材料科学的进步起作用的另一个重要因素，是可以生产出我们能够从理论上预测的材料的能力。在过去二十年里，材料工程师们已设计出按原子制备具有所需性能的材料的方法。这些方法包括分子束外延。在这一技术中，原子流被射向晶体表面，并以特定形式在其表面凝结。另一方法是离子注入技术。离子注入即是将带电原子加速到如此高的能量，以使其能嵌入晶体表面以下。

材料工程师现在可采用诸如等离子体沉积和化学蒸发沉积等技术批量生产新材料。在等离子体沉积中，带电气体（不同于化学方法）被分层沉积在某种材料表面而形成一个集成电路。在化学蒸发沉积中，一种混合气体在材料表面产生反应而形成一个固体。采用这些工艺制备材料的速度，比采用分子束外延或离子注入技术都快，因为参与反应的气体可将多得多的原子沉积在材料表面。

还有一种技术创新是溶液凝胶法（sol-gel chemistry），这一技术使人们能够将有机化合物与金属以过去无法实现的方式混合。化学家们能将某种金属“藏”于有机化合物中，然后以比对纯金属来说更低的温度烘烤这种金属与有机化合物的混合体。在这一过程中，混合体中的有机物会像烘烤面包时面包中的水分一样蒸发，结果便产生出采用高温工艺不可能产生的受控原子混合体。例如，溶液凝胶法可用来生产具有特殊性能的高强度陶瓷。

材料科学与工程今天所能做到的看来像是奇迹。我们可以挤压出强度如钢一般的聚合纤维用来制造防弹背心和直升飞机旋翼叶片。通过设计出一种在很小的电压作用下就会产生声音振动的晶体，我们就可以制造一种声传感器。我们可按原子层制备半导体激光器。在这种激光器中，镓、铝和砷的混合体使其具有可进行光导纤维通信的能力。通过改变激光中电子的能级，我们可将激光调到所需要的频率，而用不着通过一种特别纯的玻璃放大就能将这一频率的光传输至1000英里以上。在数年内，光导纤维激光将几乎完全取代铜导线或微波进行远距离通信。

除了上述这些引人注目的进展而外，人们还在广为谈论在未来数年中，高性能陶瓷、复合材料和聚合材料的市场销售量将以惊人的速度增长。仅高性能陶瓷与复合材料的市场销售量，每年可望增长20%到40%。这些材料的发展潜力使许多工业界领导人大受鼓舞。技术性或非技术性的报刊杂志连篇累牍地报道可大大减轻汽车重量和成本的塑料、能大大提高燃烧效率并延长汽车引擎寿命的陶瓷材料，以及可制造出运算速度更快和更大型的计算机的电子材料。

国际社会也对此表现出极高的热情。日本国际贸易与工业省确定的十三项要优先发展的项目中，有一半以上涉及材料科学。在我访问过的日本和美国的主要工业实验室中，都将他们研究与发展费用的20%到50%用于研制新材料。在某种程度上，人们对材料科学表现出的热情使人联想起八十年代初人们对生物技术的热情。材料科学的发展在某些方面的确类似于生物技术的发展。像材料科学家应用扫描电子显微技术一样，生物学家通过脱氧核糖核酸重组技术测量生物的遗传结构，将其与遗传特性联系起来，从而可建立新的遗传结构。

但甚至在几年前，生物学家们还一致坦率地承认，要预测遗传结构与设计的脱氧核糖核酸的特性之间的关系，还需经过很长时间的努力。目前，生物技术仍然缺乏解释这种联系的理论。结果，自那以后生物技术进展缓慢，人们对生物技术表现的热情已大大消退。1983年对该产业的投资曾达八亿五千万美元，1986年即下降到二亿美元。然而，与生物技术相反，材料科学既掌握了理论武器，又掌握了实现其目标的技术手段，因而，材料科学在商业上的成功是大有希望的。

尽管如此，我们在材料科学中所能达到的目标仍然是有限的。一些限制是物理规律所决定的。例如，一种材料的硬度、弹性和熔点取决于它的原子结合强度_碳 - 碳原子结合是最强的，因此，只由碳 - 碳结合构成的金刚石是已知的最坚硬的材料，其熔点也是最高的，但是，聚合物分子也是一种碳 - 碳结合，它们却没有类似于金刚石那样的硬度和熔点。这是因为，这两种物理性能在聚合物中受到较弱的连接碳一碳原子链的分子结合力的控制。因此，聚合物的强度与熔点受到其固有的物理性质的限制，而材料科学家目前还无法改变这一情况。

关键是生产工艺

如果我们对信息革命作一细致地观察、会发现它主要依赖于制造出更快、更便宜和更小的硅片的能力。当其它电子材料在科学上也取得了鼓舞人心的进展时，硅生产工艺的进步已为信息革命奠定了经济与技术基础。

材料制造工艺对于钢铁工业的发展也是至关重要的。日本今天被公认为世界最领先的钢铁生产国，然而，取得这一成就的秘诀并不是它对如何生产这种材料掌握了别人不知的特殊知识。日本在世界钢铁生产中之所以居领先地位，是因为它对这种材料的生产设备投入了更多资金，结果，日本以比其它国家都低得多的成本生产出了质量相同或更高的钢铁。

例如，日本的高炉平均比美国老式的高炉大两倍多。由于其表面与体积之比较小，大型高炉生产每吨铁消耗的热量较低，因而提高了燃料的燃烧效率。而且，操纵大型高炉与操纵小型高炉所需的人员相差无几。但是，正如当前日本人正在觉察到的那样，诸如南朝鲜、巴西和罗马尼亚这样的国家也能对这种受财力限制的工业投资，并以更低的劳动力成本有成效地与日本展开竞争。

在航天工业与国防工业这类工业中，由于竞争是有限的，集中力量于开发新材料与尖端技术的公司是最易获得成功的。但在像半导体、钢铁和汽车制造这类工业部门，由于竞争激烈，对材料的制造工艺投入更多资金的公司将具有最低的生产成本，因而是获利最大的。

美国林肯电力公司的发展历程表明，材料的制造工艺在取得竞争优势上是何等重要。十五年前，林肯电力公司，美国最大的生产电焊条的厂家，由于生产出一种新型电焊条而震撼了同类行业。这种焊条不需一种保护气体来保护钢铁不受氮气的侵蚀。由于取消了这层保护气体，电焊设备即变得轻巧而又便于使用。而且，由于保护气体在成本中占相当大的比重，焊接材料的成本也大为降低。

在两三年内，林肯电力公司的竞争对手也成功地在实验室中仿制成了这种新式电焊条，然而，即使在今天，他们仍然未能削弱林肯公司的竞争优势，林肯电力公司仍在控制着全世界的电焊条销售市场，这并不是因其昇有技术上的优势，而是它仍然垄断着制造和销售成本都比别人低的生产工艺。

该公司是如何取得这一成功的呢？首先，它研究出了能降低一种合金粉末的生产成本的方法，这种金属粉末是使新式电焊条具有其特殊性能的关键材料。其次，它改进了焊条成形设备和质量控制工艺规程，从而生产出质量稳定的焊条钢丝。林肯电力公司的成功表明，今天许多公司的真正竞争优势，靠的是高质量和低成本的制造工艺，而不是靠某个技术优越的材料。有鉴于此，对新材料的研究与探索主要应该是科学院和国家实验室的事情。这些研究机构和实验室当然应该继续得到联邦政府的财政资助。然而，一旦这些研究机构研制成新的材料，美国的公司就应参与并确定哪种材料最适宜进行商业开发。公司还应提供足够的财力用于能够低成本、高质量地生产这些材料的工艺流程。新材料在工业上的成功应用，更多的是受市场需求的推动，其次才是技术上的促进。

设计具有优异性能的材料一直是材料科学家和工程师们最感兴趣的课题，但其成果并不总是能带来较多的商业利益或社会效益。美国公司目前必须在研究如何以更经济的方法生产现有材料方面进行更多的投入，而不是去追求激动人心的更新的材料。否则，这无异于留着地下的黄金不去开采，而以高得多的代价去创制黄金。新材料将因此而失去其魅力，而材料科学家和整个社会都会因此蒙受损失。但是，如果我们在高质量、低成本的新材料制造工艺上投入更多的财力和物力，我们都将成为胜利者。

[Technology Review，1987年2期]