（上海交通大学）

当今材料科学的重要发展趋势是，人们依据现有的信息和知识，力图对材料在微观、介观和宏观各个层次上进行理论设计，积极发展新的材料制备方法，发展各种具有优异性能的亚稳及低维材料。同时，材料科学与生命科学、环境科学等新兴学科相结合也孕育了许多新的研究方向。将材料科学的基础研究和物理、化学、力学、生物等学科紧密相结合，充分发挥学科交叉优势将是材料科学未来发展的重要特色。单一的、光靠大量实验的研究形式已不能满足时代的要求。

虽然由于各种形式材料本身的多样性和复杂性，使材料科学基础研究的领域范围非常广泛，但通过综合分析国际上目前的最新研究动态，也不难得出一些在基础研究方面具有发展前途的热点领域。对于我们自己而言，在基础研究主题领域的选择上，基于我国目前财力有限的现状，应遵循江泽民主席“有所为有所不为”的指导思想，着重考虑各种类型材料的共性科学问题和具有我国特色并已有较好基础的研究方向。综合考虑最近5~10年学科的基础研究方向和内容，将“九五”重大项目、21世纪开始将执行的“超级863”计划以及拟议中的“973”计划等研究内容结合，使得我国的材料科学研究在21世纪初期在某些重要方面首先有所突破并争取赶上或超过世界先进水平。

基于上述基本思路和原则，材料科学基础研究的主要领域可包括以下方面：计算材料科学；材料的宏微观组织结构与强韧化设计；材料在特殊服役环境下的行为；非平衡态条件下材料结构的形成与演化、低维材料的结构和行为；新一代材料的探索。以下仅列举其中最为热门的若干方面加以具体说明。

计算材料科学

由于材料科学是研究材料组织结构，尤其是原子尺度微结构及其与材料性能关系的一门学科，受制于研究对象的复杂性，材料学科长期处于实验或经验性和半定量化研究，缺乏定量化研究。近年来，由于凝聚态物理、弹塑性理论以及计算机技术的发展，计算材料科学已越来越受到人们的重视，它可以解决材料科学理论和新材料研究开发中的许多问题，甚至是实验研究无法解决的难题，使得人们能够以前所未有的细致和精确程度了解物质内部状况，尤其可以从原子尺度微观角度对材料的缺陷与微结构、变形与断裂、相变等一系列平衡与非平衡热力学/动力学基本问题进行有效、深入的研究。以材料科学及相关学科为基础的计算材料科学，已成为对复杂材料体系的各种宏观与微观性质、规律进行研究的重要科学领域，并将对未来材料科学的发展起到极大的推动作用。

计算材料科学进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验过程，了解材料的内部微观性质及其宏观力学或物理行为，也能用于快速设计新的材料，并且在没有实际制备出这些新材料前就预测它们的性能。此外，由于借助于模拟技术的研究方法是综合性的，其目标是模拟尽可能多的系统细节，并包含尽可能多的环境影响因素，这样，被模拟材料系统能在更大程度上吻合于实际的制备或服役过程。最后，材料科学研究中的模拟“实验”比实物实验更高效、经济、灵活，并且在实验很困难或不能进行的场合仍可进行模拟“实验”，特别是在对微观状态与过程的了解方面，模拟“实验”更有其独特甚至有不可替代的作用。

以材料设计为例，它历经经验设计和科学设计（包含复合组织、组织、相和原子四个结构层次）两个阶段，经验设计往往带有“炒菜”的属性，而科学设计则是“依据积累的经验、归纳的实验规律和总结的科学原理制备预先确定目标性能的材料”。材料设计的发展依赖于实验技术的创新和材料科学综合理论水平的提高，沿着从宏观到微观四个结构层次而顺序深入。由于材料的成分、各结构层次和性质是彼此关联的整体，因此，材料设计也日趋综合化，单一结构层次的设计逐步被多结构层次设计所代替，单纯的结构设计必然转化为结构和性质相结合的综合设计。在材料科学设计过程中，计算机及各种相关技术成为必不可少的工具，依据材料科学的知识系统将大量丰富的实验与模拟计算资料贮存起来形成综合数据库，如合金系相图、合金系的热力学性质、晶体结构参数和物理性质、基础合金系的相结构参数图、相和组织的力学性能图等，发展出各种专门功能的实用性材料设计系统。

材料的宏微观组织结构与强韧化设计

材料研究的发展，已从单纯宏观或微观尺度相对独立的研究逐步深入到宏观、细观和微观尺度不同层次一体化的综合研究，这就揭示出两个新的科学问题，即“尺度问题”——怎样进行不同尺度层次下的宏微观过渡及其相应的内在联系和表征，并评价材料中微结构的尺度对其强韧行为的效应；“群体演化问题”——如何描述微结构和缺陷作为群体所体现的交互作用和演化问题。例如信息材料不仅尺度较小，还在互相耦合的力、电、磁、声、光场下工作，因此引发出耦合场下的宏微观分析问题。又如生物材料在应力环境下会出现生长过程和损伤愈合过程，对这两个过程的描述超出了现有材料科学基本理论范畴和力学与热力学框架。因此，建立材料宏-细-微观组织结构、力学与强韧化设计的定量理论具有重要作用，可为进行材料的定量优化设计与智能预报奠定基础。

在该领域的工作可包括以下几个方面：

1）材料的多尺度力学和物理行为和尺度效应。

2）微结构和缺陷体的交互作用和演化动力学。

3）信息材料的宏微观力学和物理特性。

4）生物材料、组织和仿生材料的宏细观力学和微观组织结构演化。

5）表面、界面梯度材料的非均匀结构与破坏行为。

6）典型先进材料的强韧化设计与实现。

特殊服役环境下的材料行为

主要研究材料在特殊服役条件下使用过程中的行为和表征，如超高/低温、超高压、真空或各种氧化/还原/腐蚀环境、辐照等等。由于受各种试验条件等因素的制约，对材料在特殊服役条件下行为的研究尚未像在常规条件情况下那样得到充分、深入的探讨，而在特殊服役条件下具有优异性能的材料又恰恰是发展许多高新技术产品所必须的。例如在核辐射下材料的腐蚀、疲劳与断裂行为，对核电站材料的服役行为和寿命估计具有重要作用；又如航空航天材料在真空中的服役行为，对如何改善太空环境下的电刷火花问题、润滑与磨损状况改变问题会起到决定性的影响。因此，研究材料在特殊服役条件下行为对开发某些特殊用途的高技术新材料是必不可少的，

材料的表面改性、界面及非平衡条件下低维材料的结构和行为

表面改性、界面和低维材料（薄膜材料、纳米材料等）是近年来材料科学的一个重要基础研究领域和发展方向。涂层和薄膜材料具有明显不同于体材料的晶体结构和特性，而界面的组织结构和性能，对于现有材料的性能优化和新材料的研制和开发有着十分重要的意义。同样，由于非平衡条件下形成的材料往往呈现出优异的性能，因而备受人们的重视。而纳米材料等低维材料又是主要的非平衡材料，对非平衡条件下低维材料结构的形成演化及表征，以及对其结构、物理与化学性能、力学性能等基本问题进行深入研究，有助于达到新材料优化设计和控制的目的，上述研究对发展用于微电子通信、计算机等新兴高科技领域的各种新型光电子功能材料尤为重要。

例如，利用人工神经元网络的方法来研究影响薄膜性能的各种因素，包括镀膜靶材、溅射工艺参数和热处理过程；建立影响薄膜性能的非线性关系，以预测非平衡条件下的薄膜性能，并用这种方法来解决一些电子工业中的产品开发的基本问题。又如通过开展表面改性的基础研究，研究其成分、组织结构、性能以及工艺参数之间的关系，进行材料表面改性技术的CAD及其智能化设计。还有，通过研究界面层的组织结构、界面结合力、界面反应等，建立界面结构与力学性能和其它功能特性的理论关系，寻找控制和优化界面的工艺方法，达到提高复合材料性能的目的等等。

新一代材料的探索

属于新一代材料的范围很广，但生物材料、仿生材料和智能材料无疑是其中最具魅力的新型材料。在生物和仿生材料基础研究方面，关键在于材料科学、生物学、化学和医学的交叉，将这些不同学科作互补结合，除探索建立涉及生物材料和仿生材料本身系统理论外（如材料仿真理论），着重研究材料作为置入体和生物替代体，它和人体的生物相容性和作用过程，开展不同材料体系（金属、高分子、陶瓷等）应用于生物医学的探索。而在智能材料和智能结构研究方面，研究智能材料的制备方法，并对其在温度、应力和合金相变共同作用下的热机本构关系、对智能材料同时作为传感器和驱动器的智能结构应用进行探索，包括典型材料的传感、制动与智能构元的抗失效设计，材料-控制-测量的结合等等。