材料科學專業詳解

作為(wei) 一名普通的高中生，你可能並不清楚自己未來想學習(xi) 什麽(me) 專(zhuan) 業(ye) ，或者是沒有機會(hui) 深入了解各個(ge) 不同的專(zhuan) 業(ye) 領域。為(wei) 了幫助大家了解各個(ge) 專(zhuan) 業(ye) ，機構開啟了專(zhuan) 業(ye) 介紹係列，今天一起來了解材料科學專(zhuan) 業(ye) 吧。

什麽(me) 是材料科學？

大多數人，包括筆者自己，高中期間都沒機會(hui) 接觸材料科學，很難知道自己是否希望在大學裏學習(xi) 這個(ge) 專(zhuan) 業(ye) ，以後是否想要在這個(ge) 領域工作。所以我們(men) 首先要弄清楚，什麽(me) 是材料科學？

簡單來說，材料科學就是研究材料，研究不同材料有哪些不同的性能，為(wei) 什麽(me) 會(hui) 有這些性能。弄清楚是什麽(me) 導致這個(ge) 材料具有某個(ge) 性能之後，就可以想辦法讓材料具備某些特定的性能，改進它的性能，甚至發明一種全新的材料。

我們(men) 日常生活中接觸到的所有東(dong) 西，裏麵都有材料科學家的一份功勞。例如，噴氣式飛機的引擎往往能夠達到1,500攝氏度的高溫，材料科學家需要發明可以承受極端高溫的材料，這些材料還要能夠承受引擎渦輪高速旋轉造成的壓力。用來製造渦輪葉片的一種材料就是鎳基超合金，裏麵包含鎳、鈦、鋁以及一係列其他的元素，例如鋯和鈷。材料科學家的工作就是開發這些材料，哪怕隻是性能有了一點點的提升都能帶來巨大的影響。

（圖片來源：www.icym.edu.my）

材料科學家在環保方麵也能做出貢獻。材料科學家可以改變塑料聚合物的結構，讓他們(men) 更加容易分解，還可以尋找塑料的替代材料，例如澱粉或纖維素基塑料。例如，現在有些可口可樂(le) 的塑料瓶的30%的材料是植物做的，使用甘蔗渣代替塑料中的石油，這樣更加環保；現在很多一次性餐具也都是用澱粉做的。英國的材料科學家現在非常重視的一個(ge) 領域是提升太陽能發電板的效率，這樣英國就能多用綠色能源，而不依賴化石燃料。

材料科學家還可以開發各種可以放進人體(ti) 的材料，例如陶瓷做的骨骼支架材料，還有用於(yu) 髖關(guan) 節置換的材料，一般用鈦製成，現在更多的是用陶瓷來做。我覺得最有趣的還是心髒支架，取決(jue) 於(yu) 應用場景的不同，可能是金屬做的，也可能是高分子聚合物做的；一些可以生物降解，一些是用記憶金屬做的，例如鎳鈦諾。

陶瓷做的骨骼支架材料

（圖片來源：Microscopy Australia）

心髒支架

（圖片來源：Central Georgia Heart & Vein Center）

在大學裏學習(xi) 材料科學是什麽(me) 體(ti) 驗？

如果你希望以後從(cong) 事材料科學方麵的工作，有幾條路徑可以走，最直接的路徑就是在大學裏讀一個(ge) 專(zhuan) 門的材料科學專(zhuan) 業(ye) 。在大學裏，你會(hui) 學習(xi) 不同的課程，有一係列課程是必修的，讓你在材料科學領域打下堅實的基礎。還有一些選修的課程，讓你深入學習(xi) 那些你感興(xing) 趣的領域。例如，以下是一些典型的材料科學課程：

• 材料的微觀結構與熱力學
• 機械性能的基本理論
• 納米科學與納米材料
• 動力學、熱力學與相圖
• 材料的變形與失效
• 工業材料加工

我們(men) 以材料的微觀結構與(yu) 熱力學為(wei) 例，這門課程講的是材料在微觀層麵上的結構是怎樣的，為(wei) 什麽(me) 是這樣的，材料的結構是如何影響材料性能的，以及如何改變材料的分子結構來改變材料的性能。比如說以下這幾張顯微鏡圖片都來自同一塊鋼鐵，他們(men) 的微觀結構不同，是因為(wei) 加熱和冷卻的方法不同，這也導致他們(men) 擁有不同的性能。

除了理論課之外，你也會(hui) 在實驗室裏親(qin) 手做實驗，包括處理材料，歸類材料特性，使用電子掃描顯微鏡等設備，以及測試材料。我最喜歡做的材料實驗之一就是測試溫度對不同材料的影響，我們(men) 會(hui) 在熔爐裏加熱材料樣品直至發紅發光，然後以不同的速度冷卻，記錄材料性能的變化情況。我們(men) 還會(hui) 用液氮把材料冷卻到零下200攝氏度，看看會(hui) 對材料的性能造成什麽(me) 影響。

材料科學專(zhuan) 業(ye) 的畢業(ye) 去向

材料科學的學生畢業(ye) 後有很多去向選擇，你作為(wei) 材料科學家所能做的工作種類，幾乎和不同的材料種類一樣多。有的材料科學家在實驗室裏工作，合成材料或測試材料，有的材料科學家負責設計計算模型，有的材料科學家負責采訪顧客，記錄他們(men) 對材料的需求。

如果你選擇進入行業(ye) 工作，那很有可能會(hui) 作為(wei) 材料科學家或工程師團隊的一員去參加項目，之後會(hui) 慢慢接觸更多的工作和職責，可能會(hui) 開始帶領你自己的團隊或者項目。你可以選擇一直做技術，也可以選擇去做管理崗位。

另一個(ge) 常見的選項是留在學術界做研究員，如果你選擇這條路的話，你將會(hui) 成為(wei) 這個(ge) 領域裏的專(zhuan) 家，研究最尖端的材料技術，也許還會(hui) 發現新的材料。你也可以同時走這兩(liang) 條路，或者決(jue) 定中途轉行，去一個(ge) 完全不同的領域，例如商科或者金融。學習(xi) 材料科學的過程中，你也會(hui) 收獲很多普適性的技能，例如量化、分析和解決(jue) 問題的技巧，讓你受到不同行業(ye) 雇主的青睞。

給材料科學申請者的建議

對於(yu) 打算申請材料科學專(zhuan) 業(ye) 的學生，我有幾個(ge) 建議。第一個(ge) 建議是要展現你在課堂之外的學術能力，你可以參加數學或者科學類的比賽，可以是學校的比賽、市裏的比賽，甚至是國家或者國際的比賽，例如國際化學奧林匹克競賽。你需要證明你不僅(jin) 僅(jin) 是擅長這些學科，並且你真的對他們(men) 感興(xing) 趣，能夠積極參與(yu) 和挑戰自己。

你也可以讀一讀科學雜誌或書(shu) 籍，現在市麵上也有很多材料科學相關(guan) 的書(shu) 籍，你可以找你感興(xing) 趣領域的書(shu) 籍，或者多讀幾本比較短的、不同領域的書(shu) 。來充分探索材料科學這個(ge) 領域。我尤其喜歡James Gordon寫(xie) 的《The New Science of Strong Materials》，但我建議你還是自己去找自己最喜歡的書(shu) 。

最後一條建議是研究你日常生活中遇到的材料，例如，如果你喜歡擊劍，可以研究不同的鑄劍材料，以及為(wei) 什麽(me) 會(hui) 使用這些材料；如果你喜歡騎行，可以研究製造自行車的材料。試著去了解你身邊的各種材料背後的科學原理，這樣你就會(hui) 快速地建立起材料科學的知識儲(chu) 備。