請問材料科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展展望？

【專家解說】：材料科學(xué)發(fā)展的展望 首先看看世紀(jì)之交的形勢:國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，信息、能源、生命、交通、環(huán)境、國防以及高科技對新型材料的需要比以往更為迫切。材料應(yīng)用的廣泛性、使用條件的復(fù)雜性和安全可靠性的要求也越來越高。為了滿足21世紀(jì)國民經(jīng)濟(jì)對材料的需求，開展新材料的研究和開發(fā)新型材料是一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略任務(wù)。學(xué)科交叉、滲透，任務(wù)的綜合和協(xié)作為材料科學(xué)的發(fā)展提供了新的機(jī)會。計(jì)算機(jī)用于材料設(shè)計(jì)、同步輻射、自由電子激光和掃描隧道顯微鏡等先進(jìn)技術(shù)，使材料科學(xué)研究深入到一個新的層次。信息科技中的超微化、高集成度、高靈敏、高速度和高保真等要求，促使材料科學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)入了介觀體系和納米尺度。 1.新能源材料 我國在能源資源方面，石油、天然氣少，煤炭儲量大，品種全，在商品能源中煤炭占76000但是煤的地區(qū)分布不平衡;煤質(zhì)方面的高灰富硫煤多。煤的消費(fèi)方面是用戶多、高度分散，因此能量轉(zhuǎn)換率低和環(huán)境污染嚴(yán)重，極需研究脫硫、脫硝和潔凈煤的加工。國際上日益重視具有戰(zhàn)略意義的新能源的開發(fā)，包括太陽能、生物能、核能以及次級能源(氫能和燃料電池)等。太陽能直接利用是聚積其熱能用于供熱、發(fā)電和制冷;間接利用是太陽能電池和太陽能分解水制氫等。雖然地球接受太陽能的總量很大，約為810000 kJ/s, 0. 2^-1. 0 kW/mZ，又取用不竭。但是由于其能量密度很低，取得單位能量的一次性投資大，能量轉(zhuǎn)換效率有待提高，目前尚不能大規(guī)模用于商業(yè)目的。新型光一電和光一化學(xué)能轉(zhuǎn)換材料和結(jié)構(gòu)器件的研制，提高轉(zhuǎn)換效率，降低成本，以及研究光解水的催化劑，燃料電池中的固體電解質(zhì)等都是材料科學(xué)所應(yīng)承擔(dān)的重要任務(wù)。 2.材料的結(jié)構(gòu)層次由宏觀向介觀尺寸發(fā)展 人們對于固態(tài)物質(zhì)的性質(zhì)的認(rèn)識，首先是從宏觀現(xiàn)象開始，觀測到物質(zhì)的熔點(diǎn)、硬度、強(qiáng)度、電導(dǎo)、磁性、化學(xué)反應(yīng)活性等，隨后又深入到原子、分子的層次，用原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵理論來闡明物性和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。近年來納米科技的發(fā)展，人們知道:材料的性質(zhì)并不是直接決定于原子和分子，在物質(zhì)的宏觀固體和微觀原子分子之間還存在著一些介觀的層次，這些層次對材料的物性起著決定性的作用。 微觀體系包含有1至幾個分子，其動力學(xué)是以皮秒(ps)和飛秒(fs)計(jì)，是屬于量子化學(xué)研 究的領(lǐng)域;宏觀體系包含著無限的原子和分子群體，其運(yùn)動是以分和時計(jì)，是化學(xué)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的研究范疇。而納米和團(tuán)簇這個層次中，物質(zhì)的尺寸不大不小，所包含的原子分子數(shù)不多不少，其運(yùn)動速度不快不慢。而決定物質(zhì)的性質(zhì)的正是這個層次的由有限分子組裝起來的集合體，它所表現(xiàn)出來的物性和宏觀的材料迥然不同，具有奇特的光、電、磁、熱、力和化學(xué)等性質(zhì)。例如納米鐵的抗斷裂應(yīng)力比普通鐵高12倍;納米金的熔點(diǎn)是330 0C，納米銀的熔點(diǎn)是100 0C;納米Ti0:在200℃可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷氐慕鸺t石結(jié)構(gòu);納米Si3N、的強(qiáng)壓電效應(yīng)是Pb (Ti , Zr )O。的4倍。納米科技是在納米尺寸范圍內(nèi)對物質(zhì)進(jìn)行研究和應(yīng)用，使人類認(rèn)識和改造物質(zhì)的手段直接延伸到原子。例如運(yùn)用計(jì)算機(jī)計(jì)算、編程和控制，在高真空掃描隧道顯微鏡里，操縱電子束使單晶硅表面原子激發(fā)移動，可以刻蝕出“中國”兩個世界上最小的漢字，每個字的尺寸為0. 1 nm，筆劃的寬度為幾個硅原子，深度為0. 3 nmo納米刻蝕技術(shù)應(yīng)用在微電子介質(zhì)上，可以制造出高密度存儲器，其記錄密度是磁盤的3萬倍。日本NEC公司計(jì)劃在21世紀(jì)初實(shí)現(xiàn)這種存儲器實(shí)用化，在一張郵票大小的襯底上記錄400萬頁報(bào)紙刊載的內(nèi)容，可以說納米材料和納米科技的發(fā)展和應(yīng)用把物質(zhì)內(nèi)部潛在的豐富的結(jié)構(gòu)性能發(fā)掘出來，正像本世紀(jì)三四十年代核裂變材料和核科技的發(fā)展和應(yīng)用，把物質(zhì)中潛在的能量成百萬倍地開發(fā)出來那樣。