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教授讲专业 | 材料物理:走进新材料的时代

2020-04-07



编者按




“大学之道,在明明德。”大学是学问的中心,是帮助青年人涵养心智、锤炼意志、放飞理想的平台。而大学的专业教育本质上是一种博雅和理性的活动,是志趣相投的一批人的智慧激荡。在【教授讲专业】栏目,我们邀请了人民大学的名师大家、杰出学者讲述专业的历史积淀、特色亮点、发展前景等,为高中生们找寻专业兴趣、确立专业目标、理性选择专业提供权威参考。




作者简介





陈珊珊

中国人民大学理学院物理系教授、博士生导师。美国德州大学奥斯汀分校访问学者和博士后,英国曼彻斯特大学访问学者;全国百篇优博论文获得者;入选福建省杰出青年科学基金项目、福建省第二批青年拔尖人才、留学基金委未来科学家项目。主要研究方向为新型低维材料的制备与物性研究。在国内外期刊Nature Materials、Advanced Materials等发表学术论文40余篇。先后主持承担国家、教育部和地方科研项目10余项。

材料物理:走进新材料的时代


人类社会每一种新材料的发现,都促成了人类社会发展的一次飞跃。从石器时代、青铜器时代到铁器时代,材料的发展往往都是每个时代发展进步的标志。钢铁是工业革命的关键原料,使得人们可以修建铁路、制造蒸汽机和油轮。20世纪以来,因为材料科学和量子力学的突破发展,带来了硅芯片和信息革命,所以,20世纪也常常被称为“硅时代”。以集成电路为核心的电子信息产业迅速超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业,成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大动力。今天,随着科学技术的进一步发展,人类进入了新材料时代。所谓新材料,不仅包含新开发的具有优异性能和特殊功能的材料,也包括改进后性能明显提高和产生新功能的传统材料。在这个时代,各种新材料、新技术、新应用不断出现,成为社会经济发展的重要支柱。信息、能源、生命、交通、环境、以及国防对新材料的需求比以往更为迫切。


作为制造业的基石,本世纪新材料的种类、数量、性能与上个世纪相比都有了相当程度的发展。就纳米科技而言,各类纳米金属、纳米晶体和纳米复合材料在信息、能源、环境等领域获得了广泛的应用。半导体超晶格和量子阱已经成为微电子学、光电子学的核心材料。零维的量子点电视也逐渐走进了人们的视线,进入普及期。就能源科技而言,可再生新能源对于新材料的探索提出了高要求,燃料电池、太阳能发电等都涉及大量材料科学问题。就新型信息科技而言,自旋电子学、光纤技术、半导体技术也极大程度地依赖材料的发展。



材料这么重要,那么材料物理专业到底学的是什么?我们以2004年横空出世的“石墨烯”纳米新材料为例来说明。这个材料从实验室被两位俄罗斯的科学家用胶带“撕”出来,以其独特的二维结构和优异的物理化学特性吸引了全球科学家的注意,并迅速在诸多应用领域崭露头角。短短十几年的时间里,石墨烯从科研人员口中的专业名词,到诺贝尔物理学奖,再成为了街头巷尾耳熟能详的名词,出现于科技新闻、股市信息甚至各种头条新闻里。国家工信部部署的2017年七大重点工作任务中,把石墨烯列入重点推动实施的新材料研发和应用重大工程。石墨烯新材料的发展,见证了一个新材料从发现、研究、发展到应用的整个历程,也代表了材料物理学科学习的四大领域:材料设计与计算模拟、材料制备与加工、材料结构与特性、材料性能与应用。



在发展新材料的初期,人们主要依靠计算材料科学来模拟设计新材料,并就加工过程和应用进行设计和评估,形成有针对性的深入探索和研发方向。材料制备一直是材料物理发展的前沿领域,是新材料及相关产业发展的基础和技术源泉。例如,石墨烯最早是用胶带将厚的石墨一层层剥离出来,最终利用光学显微镜,结合原子力显微镜寻找微米尺寸的单层石墨烯。随着制备新技术、新设备的开发和发展,现在人们已经可以产业化制备不同类型的石墨烯产品。进一步利用多种测试手段对制备好的石墨烯材料进行结构与性能表征,人们可以建立材料结构与性能的关系,探索材料成分、缺陷对性能的影响等。最终材料走向末端环节——应用,例如石墨烯的导电、透明、高比表面积等特性,使得石墨烯可应用于超级电容器、透明电极、锂离子电池、传感器、功能涂料和聚合物纳米复合材料等领域,开辟了石墨烯材料的应用新时代。



由于材料种类繁多,不同类型材料的制备与加工技术各式各样,性质和应用也大相径庭。发展材料新的制备和加工方法、新的表征技术、拓展新的材料应用领域,构成了材料科学不断向前发展的直接动力。


材料物理学科的基础性及交叉性很强,材料制备合成涉及化学知识,性能测试又侧重物理知识,理论分析还需要一定的数学知识。最近若干年又延伸到生物学、力学、医学、环境科学等一大批乍看与材料关联不大的科学领域,印证了材料科学是一个既老骥伏枥又风华正茂的学科,其依然在出新、在发展、在成长。它与传统自然科学的区别是,材料物理在很大程度上是面向应用,为社会生活服务的学科,它不仅可以开展高端前沿的基础研究,也可以面向应用开发实用的产品。这也是材料物理的魅力所在。


中国人民大学材料物理专业依托于物理学系,学科布局着重于发展新型低维、量子和功能材料的研经过十多年的发展,目前已建成了完备的材料设计与计算模拟、材料制备与加工、材料结构与物性、材料器件和应用等实验室,专注于新材料探索,涉及低维纳米材料、量子材料、光电功能材料、高温超导材料和技术、透明陶瓷技术、微纳器件加工等领域。材料物理学团队有一批年轻的高尖端人才,可以带领同学们领略材料物理的魅力,紧跟时代的发展,走在新材料探索和应用的前沿。


从古至今,无论人类科技的发展是快还是慢,地球上物质的基本组成元素始终没有改变。但随着时代的发展,我们更了解物质,了解材料,也迎来了材料发展的新时代。21世纪会有更多、更好、更经济的新材料问世,适应各种制造业的需要,顺应社会的发展,改变我们的生活。





专业常见问题解答




材料物理专业的学习(研究)对象是什么?



材料物理专业主要学习物理学、材料科学的基础理论、前沿知识和科研实践技能,掌握物质的微观结构、组织形式、物理性能、化学成分以及它们之间相互关系的基本规律。材料物理是从物理学的基础原理出发提供材料结构、特性与性能的一门新兴交叉学科,主要面向新信息与新能源等新功能材料探索。



材料物理专业的本科核心课程有哪些?



中国人民大学材料物理专业可与物理学专业互选专业必修课程,目前开设的材料物理专业的本科核心课程包括:固体物理、量子力学与统计物理学、材料科学基础、材料物理、相图与相变、无机化学、材料物理实验等。



现实中有哪些问题需要材料物理专业来解决?



材料不仅是人们日常生活的基本元素,更是能源、信息、先进制造等重大高新科技领域和国防建设中不可或缺的组成部分,其应用实例不胜枚举。例如在能源应用领域,燃料电池需要高效率的催化材料,太阳能发电需要探索和制造高效光伏材料、热电材料等。电动汽车的关键技术在于电池的能量密度、重放速度、循环寿命等性能指标,而这些性能指标与电池材料密切相关。在新兴信息科技领域,信息的主要载体是磁性材料,主要传输介质是光纤材料,主要运算介质是半导体材料。在国家重大工程和国防建设方面,飞机、火箭等对材料的强度、刚度、耐高低温性能和耐老化腐蚀性能等都提出了高要求。



具备哪些特质的学生更适合学习材料物理专业?



材料物理专业由于其多学科交叉的特点,对学生的知识结构要求比较均衡。材料的设计、制备、性能和应用涉及物理、材料、化学以及工程应用等多方面科学知识,学生需要克服偏科的问题。



材料物理专业的学习有可能遇到哪些困难?



材料物理是一门科学与工程相结合的专业,各学科交叉融合、综合性强。在学习过程中,除了物理学专业的基本课程外,需要额外补充材料学甚至化学的一些相关基础课程,对学生来说,需要掌握的知识面比较广。随着新材料、新工艺、新技术的出现,材料科学的研究手段、技术和应用领域都在不断地发展更新,需要学习的内容也会不断地更新。



为什么要选择中国人民大学的材料物理专业?



中国人民大学的材料物理专业虽然比较年轻,但建系十来年,所引进的都是年轻的高精尖人才。本专业专注于探索新功能材料,做最前沿科学,适应新世纪对新材料探索的需求。

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