材料科学专业详解

作为一名普通的高中生，你可能并不清楚自己未来想学习什么专业，或者是没有机会深入了解各个不同的专业领域。为了帮助大家了解各个专业，机构开启了专业介绍系列，今天一起来了解材料科学专业吧。

什么是材料科学？

大多数人，包括笔者自己，高中期间都没机会接触材料科学，很难知道自己是否希望在大学里学习这个专业，以后是否想要在这个领域工作。所以我们首先要弄清楚，什么是材料科学？

简单来说，材料科学就是研究材料，研究不同材料有哪些不同的性能，为什么会有这些性能。弄清楚是什么导致这个材料具有某个性能之后，就可以想办法让材料具备某些特定的性能，改进它的性能，甚至发明一种全新的材料。

我们日常生活中接触到的所有东西，里面都有材料科学家的一份功劳。例如，喷气式飞机的引擎往往能够达到1,500摄氏度的高温，材料科学家需要发明可以承受极端高温的材料，这些材料还要能够承受引擎涡轮高速旋转造成的压力。用来制造涡轮叶片的一种材料就是镍基超合金，里面包含镍、钛、铝以及一系列其他的元素，例如锆和钴。材料科学家的工作就是开发这些材料，哪怕只是性能有了一点点的提升都能带来巨大的影响。

（图片来源：www.icym.edu.my）

材料科学家在环保方面也能做出贡献。材料科学家可以改变塑料聚合物的结构，让他们更加容易分解，还可以寻找塑料的替代材料，例如淀粉或纤维素基塑料。例如，现在有些可口可乐的塑料瓶的30%的材料是植物做的，使用甘蔗渣代替塑料中的石油，这样更加环保；现在很多一次性餐具也都是用淀粉做的。英国的材料科学家现在非常重视的一个领域是提升太阳能发电板的效率，这样英国就能多用绿色能源，而不依赖化石燃料。

材料科学家还可以开发各种可以放进人体的材料，例如陶瓷做的骨骼支架材料，还有用于髋关节置换的材料，一般用钛制成，现在更多的是用陶瓷来做。我觉得最有趣的还是心脏支架，取决于应用场景的不同，可能是金属做的，也可能是高分子聚合物做的；一些可以生物降解，一些是用记忆金属做的，例如镍钛诺。

陶瓷做的骨骼支架材料

（图片来源：Microscopy Australia）

心脏支架

（图片来源：Central Georgia Heart & Vein Center）

在大学里学习材料科学是什么体验？

如果你希望以后从事材料科学方面的工作，有几条路径可以走，最直接的路径就是在大学里读一个专门的材料科学专业。在大学里，你会学习不同的课程，有一系列课程是必修的，让你在材料科学领域打下坚实的基础。还有一些选修的课程，让你深入学习那些你感兴趣的领域。例如，以下是一些典型的材料科学课程：

• 材料的微观结构与热力学
• 机械性能的基本理论
• 纳米科学与纳米材料
• 动力学、热力学与相图
• 材料的变形与失效
• 工业材料加工

我们以材料的微观结构与热力学为例，这门课程讲的是材料在微观层面上的结构是怎样的，为什么是这样的，材料的结构是如何影响材料性能的，以及如何改变材料的分子结构来改变材料的性能。比如说以下这几张显微镜图片都来自同一块钢铁，他们的微观结构不同，是因为加热和冷却的方法不同，这也导致他们拥有不同的性能。

除了理论课之外，你也会在实验室里亲手做实验，包括处理材料，归类材料特性，使用电子扫描显微镜等设备，以及测试材料。我最喜欢做的材料实验之一就是测试温度对不同材料的影响，我们会在熔炉里加热材料样品直至发红发光，然后以不同的速度冷却，记录材料性能的变化情况。我们还会用液氮把材料冷却到零下200摄氏度，看看会对材料的性能造成什么影响。

材料科学专业的毕业去向

材料科学的学生毕业后有很多去向选择，你作为材料科学家所能做的工作种类，几乎和不同的材料种类一样多。有的材料科学家在实验室里工作，合成材料或测试材料，有的材料科学家负责设计计算模型，有的材料科学家负责采访顾客，记录他们对材料的需求。

如果你选择进入行业工作，那很有可能会作为材料科学家或工程师团队的一员去参加项目，之后会慢慢接触更多的工作和职责，可能会开始带领你自己的团队或者项目。你可以选择一直做技术，也可以选择去做管理岗位。

另一个常见的选项是留在学术界做研究员，如果你选择这条路的话，你将会成为这个领域里的专家，研究最尖端的材料技术，也许还会发现新的材料。你也可以同时走这两条路，或者决定中途转行，去一个完全不同的领域，例如商科或者金融。学习材料科学的过程中，你也会收获很多普适性的技能，例如量化、分析和解决问题的技巧，让你受到不同行业雇主的青睐。

给材料科学申请者的建议

对于打算申请材料科学专业的学生，我有几个建议。第一个建议是要展现你在课堂之外的学术能力，你可以参加数学或者科学类的比赛，可以是学校的比赛、市里的比赛，甚至是国家或者国际的比赛，例如国际化学奥林匹克竞赛。你需要证明你不仅仅是擅长这些学科，并且你真的对他们感兴趣，能够积极参与和挑战自己。

你也可以读一读科学杂志或书籍，现在市面上也有很多材料科学相关的书籍，你可以找你感兴趣领域的书籍，或者多读几本比较短的、不同领域的书。来充分探索材料科学这个领域。我尤其喜欢James Gordon写的《The New Science of Strong Materials》，但我建议你还是自己去找自己最喜欢的书。

最后一条建议是研究你日常生活中遇到的材料，例如，如果你喜欢击剑，可以研究不同的铸剑材料，以及为什么会使用这些材料；如果你喜欢骑行，可以研究制造自行车的材料。试着去了解你身边的各种材料背后的科学原理，这样你就会快速地建立起材料科学的知识储备。