供稿|龐曉露

大飛機(jī)、航空母艦、海洋石油鉆井平臺(tái)、新一代汽車等裝備用新材料的發(fā)展，都離不開材料科學(xué)與工程的進(jìn)步與發(fā)展，而材料物理專業(yè)是材料科學(xué)中至關(guān)重要的二級(jí)學(xué)科。本文將系統(tǒng)地介紹材料物理專業(yè)及其發(fā)展歷程，講述北京科技大學(xué)材料物理專業(yè)的悠久歷史以及材料物理學(xué)什么、未來(lái)做什么，使莘莘學(xué)子全面地了解材料物理專業(yè)，特別是北京科技大學(xué)材料物理的深厚底蘊(yùn)。

材料物理專業(yè)簡(jiǎn)介

什么是材料物理？

材料物理從字面上看是由兩個(gè)詞構(gòu)成，材料和物理。同學(xué)們從初中就開始學(xué)習(xí)物理，對(duì)其有較深入的理解。那么什么是材料呢？百度百科給出的解釋是“材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)”。簡(jiǎn)而言之，材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。物質(zhì)必然由原子、分子構(gòu)成，相同的成分，原子或分子排列方式不同就會(huì)產(chǎn)生不同的性能。例如，碳原子排列成正四面體就是金剛石，而排列成正六邊形片層結(jié)構(gòu)就是石墨，雖然都由碳原子構(gòu)成，但排列方式不同，其性能完全不同，如圖1所示，正是基于對(duì)材料和物理的深入理解，科學(xué)家解決了將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石的難題[1]。另外，如果把石墨的碳原子排列成單層二維結(jié)構(gòu)就變成石墨烯。石墨烯不僅具有奇異的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)還具有高的強(qiáng)韌性。假設(shè)元素周期表中的所有元素的原子都能進(jìn)行排列組合成不同的物質(zhì)，那么就有可能會(huì)組成無(wú)限多的物質(zhì)，而與這些物質(zhì)的原子或分子的不同排列方式相對(duì)應(yīng)的物質(zhì)性能也必然產(chǎn)生巨大差異，如何探究、揭示并掌控原子(分子)排列方式和聲、光、電、磁、熱、力等材料性能之間的關(guān)系就是材料人的不斷追求。因此，為人類開發(fā)出所需要的各種材料就是材料物理學(xué)科的最根本任務(wù)。

圖1 石墨(左)與金剛石(右)及其轉(zhuǎn)化[1]

材料物理的發(fā)展歷程

材料科學(xué)的快速發(fā)展可以追溯到18世紀(jì)工業(yè)革命時(shí)期，可以說(shuō)現(xiàn)代材料技術(shù)興起于工業(yè)革命，1779年英國(guó)大鐵橋的建設(shè)就是大規(guī)模制造材料的標(biāo)志之一[2]。1856年轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展使人們可以高效地生產(chǎn)金屬材料，極大地推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展[3]。1912年不銹鋼的發(fā)明及使用改善了鋼鐵材料的性能，使人們的生活和生產(chǎn)水平有了進(jìn)一步的提高。同時(shí)，20世紀(jì)也是近代物理學(xué)飛速發(fā)展的時(shí)代，而近代物理學(xué)的發(fā)展對(duì)材料科學(xué)的發(fā)展具有巨大的推動(dòng)作用。盧瑟福、波爾提出原子模型的理論，并且建立了完整的晶體學(xué)理論(7大晶系)。晶體學(xué)理論的建立為材料科學(xué)的飛速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1912年X射線勞埃衍射斑點(diǎn)的觀察是對(duì)材料科學(xué)具有重大影響的物理實(shí)驗(yàn)[4]，該實(shí)驗(yàn)不僅證明了X射線的波動(dòng)性與粒子性，也發(fā)展了X射線衍射晶體學(xué)，為探知晶體物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

隨著材料科學(xué)的進(jìn)步與物理科學(xué)的發(fā)展，20世紀(jì)40年代伯明翰大學(xué)丹尼爾·漢森教授課題組根據(jù)二者之間的相關(guān)性，把物理學(xué)的知識(shí)用于對(duì)材料的描述，對(duì)材料的工藝過(guò)程和性質(zhì)進(jìn)行客觀描述，通過(guò)物理學(xué)的模型認(rèn)識(shí)材料內(nèi)部的本質(zhì)，即把材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能聯(lián)系起來(lái)研究材料的規(guī)律和行為，材料物理專業(yè)由此建立。

北科大材料物理專業(yè)

北京科技大學(xué)的材料物理專業(yè)具有深厚的底蘊(yùn)，始于1956年柯俊院士創(chuàng)立的中國(guó)第一個(gè)金屬物理專業(yè)，1987年發(fā)展為材料物理專業(yè)[5]，所依托的學(xué)科是首批國(guó)家級(jí)重點(diǎn)學(xué)科。北京科技大學(xué)材料物理專業(yè)是首批碩士點(diǎn)和博士點(diǎn)，是國(guó)家“211工程”重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科和國(guó)家“雙一流”建設(shè)學(xué)科，設(shè)有博士后流動(dòng)站。2019年成為首批國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)(圖2)。

圖2 北京科技大學(xué)材料物理專業(yè)歷史沿革

目前共有42人的專職教師隊(duì)伍，其中教授25人，包括中國(guó)科學(xué)院院士1人，國(guó)家杰青4人，長(zhǎng)江學(xué)者3人，國(guó)家優(yōu)青人才3人，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才12人，北京市科技新星9人等。北京科技大學(xué)材料物理專業(yè)每年招收本科生50～80名，師生比平均為1∶1.5，是國(guó)內(nèi)外具有最高師生比的專業(yè)之一。材料物理專業(yè)所有教授不但從事著最前沿的科學(xué)研究而且他們都會(huì)為本專業(yè)本科生上課，將科研最新成果融入到教學(xué)中，為本專業(yè)的學(xué)生快速打開一扇通往科學(xué)殿堂的大門。高師生比、強(qiáng)大的師資隊(duì)伍為理工融合的材料物理專業(yè)卓越人才培養(yǎng)提供了優(yōu)質(zhì)的師資保障。

材料物理學(xué)什么和未來(lái)做什么？

材料物理專業(yè)學(xué)什么？

北京科技大學(xué)材料物理專業(yè)的本科生進(jìn)入大學(xué)第一年的學(xué)習(xí)任務(wù)主要是基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，包括數(shù)學(xué)類、普通物理類、化學(xué)類、人文社科類、經(jīng)濟(jì)管理類的課程學(xué)習(xí)。大學(xué)第一年結(jié)束后就進(jìn)入專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)，專業(yè)核心課程包括兩部分的內(nèi)容：一是主要的物理專業(yè)課程，如理論力學(xué)、量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、固體物理等；二是主要的材料類課程，如材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料微觀結(jié)構(gòu)、材料物理、功能材料、現(xiàn)代材料測(cè)試分析方法等。通過(guò)每門專業(yè)核心課程在課內(nèi)或單獨(dú)設(shè)實(shí)驗(yàn)課并安排專門實(shí)習(xí)和實(shí)踐課，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)。材料物理專業(yè)極為重視學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，所有實(shí)驗(yàn)室向本科生開放，學(xué)生的畢業(yè)論文課題100%來(lái)源于國(guó)家各類科研計(jì)劃、行業(yè)共性技術(shù)需求等真實(shí)課題。

有些同學(xué)可能心存疑惑：我們從初中到高中學(xué)習(xí)這么多年的物理，大學(xué)材料物理專業(yè)的物理類課程和原來(lái)的普通物理又有什么不同呢？

普通物理的力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)都是在宏觀(大于10-10m)、低速(速度遠(yuǎn)小于光速)條件下的研究成果，通過(guò)對(duì)普通物理的學(xué)習(xí)我們已經(jīng)對(duì)自然規(guī)律有了簡(jiǎn)單而全面的認(rèn)識(shí)，但是這種認(rèn)識(shí)僅僅是淺層次的，并沒(méi)有真正揭示各種規(guī)律的本質(zhì)。為了讓同學(xué)們更深層次地體驗(yàn)大自然的奧秘，對(duì)應(yīng)普通物理課程的每一個(gè)專題，本專業(yè)都為大家對(duì)應(yīng)開設(shè)了一門升級(jí)版的量子物理課程(圖3)。通過(guò)對(duì)這些課程的學(xué)習(xí)，我們就會(huì)更接近自然的本質(zhì)。

圖3 普通物理和量子物理課程映射

材料是由原子或分子構(gòu)成的，那么原子核外電子對(duì)其組成物質(zhì)的性質(zhì)具有決定性影響。通過(guò)量子物理的學(xué)習(xí)，我們就能對(duì)這些原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和規(guī)律能深度理解，甚至可以操縱這些原子或分子構(gòu)成各種材料，并且對(duì)其特殊的物理化學(xué)性能夠預(yù)測(cè)乃至優(yōu)化提升，為新材料的定制開發(fā)和性能改進(jìn)提升打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

既然材料物理專業(yè)開設(shè)的物理類課程和物理專業(yè)開設(shè)的主干課程基本相同，那么材料物理專業(yè)和物理專業(yè)的區(qū)別在哪里呢？簡(jiǎn)單的說(shuō)，材料物理利用物理知識(shí)研究具體的物質(zhì)并設(shè)計(jì)開發(fā)新材料，這是和物理專業(yè)的主要不同之處。

在所學(xué)課程上，材料物理專業(yè)的學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)物理專業(yè)的主干課程，還要學(xué)習(xí)材料類課程以及各種具體的材料體系(圖4)，也就是說(shuō)材料物理既有理論又有實(shí)踐，畢業(yè)生可以授予工學(xué)學(xué)位也可以授予理學(xué)學(xué)位。

圖4 材料物理專業(yè)課程體系示意圖

總之，材料物理學(xué)科關(guān)注材料在制備、使用過(guò)程中的物理變化(包括電子、原子、晶粒、晶體缺陷、相、表面與界面)與行為(物理性質(zhì)：聲、光、電、磁、熱；力學(xué)性質(zhì)：彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性、硬度；環(huán)境適應(yīng)性：腐蝕、斷裂、疲勞、高溫、氧化、老化)[6]，重點(diǎn)研究材料組織結(jié)構(gòu)及其性能的關(guān)系。

材料物理專業(yè)畢業(yè)生未來(lái)做什么

當(dāng)前社會(huì)，各種熱點(diǎn)、熱門專業(yè)瞬息萬(wàn)變，年少的同學(xué)們終將會(huì)走向社會(huì)，成為中流砥柱。那么，如何在飛速變革的社會(huì)中擊水中流，最好的對(duì)策就是以不變應(yīng)萬(wàn)變，所謂的不變就是擁有扎實(shí)的基礎(chǔ)，具備了扎實(shí)的基礎(chǔ)不僅能夠適應(yīng)各種變化，還能把握行業(yè)的脈動(dòng)及未來(lái)的趨勢(shì)。

北京科技大學(xué)材料物理專業(yè)的本科畢業(yè)生近三年就業(yè)率100%，其中升學(xué)深造率平均86% (其中，境內(nèi)54%；境外32%包括斯坦福大學(xué)、康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)、帝國(guó)理工等世界著名大學(xué))。換句話說(shuō)，絕大部分材料物理專業(yè)的畢業(yè)生都進(jìn)入深造環(huán)節(jié)，其中30%以上出國(guó)攻讀碩士、博士，最后成為高等院校以及科研院所的中堅(jiān)力量。本科直接就業(yè)的畢業(yè)生多數(shù)分布在：超大規(guī)模集成電路和高端芯片制造等半導(dǎo)體材料行業(yè)；航空航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的高溫合金、熱障涂層等功能結(jié)構(gòu)一體化材料行業(yè)；LED用稀土發(fā)光、液晶顯示等光電材料行業(yè)；機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)用傳感器等智能制造等領(lǐng)域的國(guó)有大中型企業(yè)、研究所、大型上市公司等具有國(guó)際影響力的高新企業(yè)。還有部分學(xué)生從事行業(yè)咨詢分析等相關(guān)的開發(fā)銀行、證券保險(xiǎn)等金融公司工作。

北京科技大學(xué)新版的材料物理專業(yè)培養(yǎng)方案中有這么一段話凝練了本科生的培養(yǎng)目標(biāo)：“材料物理專業(yè)旨在培養(yǎng)具有良好的道德、科學(xué)與文化素養(yǎng)，掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)理論和材料物理專業(yè)知識(shí)，具備揭示材料聲、光、電、磁、熱、力等性能和材料微觀機(jī)制之間的基本規(guī)律的能力，掌握材料現(xiàn)代分析和研究方法，具備較強(qiáng)的知識(shí)更新能力和國(guó)際視野，能運(yùn)用材料和物理知識(shí)、信息技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題，在科技、教育、新材料產(chǎn)業(yè)、行政管理等部門從事科學(xué)研究、材料和物理教學(xué)、研究開發(fā)和管理的引領(lǐng)工作?！?材料物理專業(yè)方向?qū)⑾到y(tǒng)地學(xué)習(xí)材料科學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和先進(jìn)的科研實(shí)驗(yàn)方法，接觸前沿科研領(lǐng)域，得到全面的科學(xué)研究訓(xùn)練，培養(yǎng)具有系統(tǒng)和扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，掌握現(xiàn)代材料研究方法，掌握材料性能與各層次微觀結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的基本規(guī)律，成為材料性能改進(jìn)、新材料、新技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)等方面的高級(jí)創(chuàng)新型人才，可在相關(guān)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)或高等學(xué)校從事科學(xué)研究工作。

結(jié)束語(yǔ)

材料物理專業(yè)方向研究解決材料中的物理問(wèn)題，即材料的性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)將基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用密切結(jié)合。北京科技大學(xué)的材料物理專業(yè)不僅具有優(yōu)良的傳統(tǒng)，系統(tǒng)、嚴(yán)謹(jǐn)、扎實(shí)的課程體系，本專業(yè)畢業(yè)生擁有光明的未來(lái)。材料還有很多未知，需要并期待同學(xué)們來(lái)接力探索。希望，在美麗的北京科技大學(xué)校園，遇到你。