“材料”已经成了在讨论我们国家科学和工程重要议事日程时的一个占有突出地位的主题。一些报告指出，美国的竞争地位正在日益明显地随着我们是否有能力发展材料用于改善能量效率，功能和低成本下的可靠性而发生转移。

本专栏将论及某些有关的问题：什么是材料物理？在“材料革命”中物理学团体是不是正在起着一种合适的作用，对下一个10年，物理学团体的重要议题将是什么？我将给出我的展望，它们是在多年的物理学研究和管理中形成的。

几十年来，物理学团体的许多成员在被称为固体物理，凝聚态物理或材料物理的各个领域中从事研究工作，他们的注意力和精力主要集中在阐明大块样品固体（金属，半导体，绝缘体，超导体和无序系统）晶体表面，界面，人造材料（超晶格，量子阱和量子斑点）以及缺陷的原子、电子和磁的特性，他们已经发展了一系列众多的有力的实验和理论的技术用来研究电子和磁的特性，原子的位置和动力学以及各种跃迁。这方面的成就以及它们对技术和工业发展的影响一直是十分显著的。例如，晶体管的发明直接来自于对半导体中空穴导电性重要意义的识别。固态激光器和扫描隧道显微镜则是这些成就的长长一览表中的其他例子。

但是，作为主流的物理学团体大大地忽视了一大类主要的材料问题。现实的材料是高度不均匀的。除了半导体器件以外，事实上，其他的所有材料都是多晶的、非晶的或复合的，这些材料的大部分性质是由它们聚合在一起的微观结构所确定的，也就是由晶粒的大小和起源、位错网状结构、掺杂、沉淀和微孔来确定的。这种微观结构不处于平衡态，因此它们是通过形变和扩散过程演化的，龙其在受到外界应力和“流”的作用下更是如此，显然，在这种材料中，原子结构和宏观性质之间的联系不是直接的。存在着一种中间的长度尺度，它们提供了这种联系。这种中间的长度尺度甚至即使在应用单晶体时也是遍及整个材料的：杂质分布决定了半导体的电子性质，磁畴决定了磁性材料的磁性质等等。用“介观”这个名字称呼这种中间尺度是合适的。

以最近30年来标准的固体物理教科书为例：多晶材料，微结构，机械特性和间接扩散现象几乎没有被提到。这些教科书主要集中讨论在样品晶体中与元激发有关的电子和各种现象。而现实的材料通常被看作为其他科学学科的范畴而被舍去了。

同样的情景在第一流的美国物理学杂志内容中，在美国物理学会每年三月会议的议程中也是显而易见的。在1992年的会议上，有11个大会报告以材料理论为题，事实上所有论文亳无例外地报告了原子尺度和电子结构的计算。仅仅只有少数大会报告和论文涉及“介观”的问题而不是原子尺度和电子的性质。

研究以往三月会议的美国物理学会公报可以揭示出另一种趋势：每隔几年，一个新的课题总会引起大部分物理学团体的丰富想象力，回忆一下电子空穴液滴、电荷密度波，TTF-TCNQ复合物，表面识别和准晶体出现的那些日子吧，对高温超导电性的兴趣至今仍在不断增长，巴基球正在激起最新的动荡。关于对新奇现象、材料和器件未来应用的激励始终都存在着*但是，物理学团体一直没有受到作为材料的工业应用基础的任何课题的推动。

事实上，在物理学和与工业密切相关的材料物理上通常的注意力之间存在着一个明显的差异：物理学团体对电子应用的工业有着最大的影响，但是，工艺性和机械特性却是普遍存在的重要的工业上所关注的问题。虽然作为这些问题基础的基本的物理学归结为原子的排列，但是，在原子尺度上物理学的进展通常对工业的竞争不产生影响。问题正在于原子尺度和与工业有关的长度、时间尺度之间的联系。在大多数情形下，这种联系正是介观原子动力学的研究领域，下面两个例子可以有助于理解这一点。

首先，以一个材料的工艺过程问题，也就是在微电子学上用氟离子对硅的蚀刻为例。原子尺度的物理学已经成功地在实验上和理论上探究了基本的原子的过程，例如由氟离子引起的表面层下硅-硅键的破裂。理论工作甚至已经计算出了所观察到的蚀刻速率对费米面的依赖关系。但是，对工艺学上关键的问题是蚀刻沟槽的形状。有关的物理学将需要把原子的认识借助于原子流和表面形变归并为一种介观的形式，这是一个艰难的任务，它从实验上和理论上提出了挑战。

作为第二个例子，让我们转向多晶和微结构上来。对晶粒边界和位错进行原子尺度的探索是重要的，但是这不能解决整体的行为。多晶的大多数特性是由它们聚含在一起的微观结构所确定的。例如，微结构控制着钢筋的强度，控制着铝罐——使铝片变形为圆柱形罐-压延件上边的凸耳的强度。在微电子学中，热应力和“流”在多晶体金属的内连接上会产生出孔隙和挤压。

传统上，微结构的聚合行为被归结为一系列结构的相互关系。这是一种连续介质力学的处理方法，它是一门历史悠久而且数学上严格的学科，可以成功地用于描述许多宏观现象。然而，描述微结构和它的演化是一个比较棘手的问题。已有的理论仍以连续介质力学为基础——例如，位错的弹性理论或晶体的弹性理论——或者以把连续介质和原子概念相结合起来的复合研究为基础。但是至今尚未形成直接从原子理论导出的全面的理论框架，这个理论框架应该描述出在合适的长度和时间尺度上微结构的形成和演化而且能够建立起与相应宏观性质的一种联系。人们需要新的实验技术和新的理论来把这个前沿问题向前推进。

这些观测自然地提出了基础物理对应用物理的关系问题。有一种普遍的误解认为基础物理只不过是原子尺度物理的同义词，而研究更高数量级尺度上的性质，例如微结构或弹性属于应用科学范畴。实际上，在后者这些领域中长期的智力上的挑战如同通常确定为基础物理的那些问题一样也是令人十分感兴趣的。如同我的两个例子证实的那样，它们已经超出了特定结果的范围，而且就它们最初的课题而言，正是在于从工业材料显露出来的现象中去、揭开自然界的秘密，在这个意义上说，这些挑战也是基础性的。

基础物理不会也不应该由于具备了原子的知识而停滞不前，相反，它应该向更高数量级尺度进行探究，物理学团体必须在原子尺度和更高数量级尺度以及时间尺度之间更好地权衡利弊，必须建立起和其他与材料有关的学科，例如冶金学和机械学之间的新的关系。同时，对材料物理的长期的工业上的需要也必须被明确地提出来，在大学，国家实验室和工业之间要建立起一种新的伙伴关系从而对那些能直接提高国家竞争力的材料物理制订出重大的议事日程。政府基金机构和美国物理学会可以在形成和促进这样一个重大的议事日程上发挥主要的作用。

[Physics Today，1992年9月号]