化学在材料发展中的影响

1. 材料——社会发展的标志

新材料——人类文明史的“界碑”

在遥远的古代，人类的祖先是以石器为主要工具的，他们在寻找石器的过程中认识了矿石，学会了焙烧黏土而制成各种各样的容器，并在烧陶生产中发展了冶铜术，开创了冶金技术。公元前5000年，人类进入青铜器时代。公元前1200年左右，人类进入了铁器时代。开始使用的是铸铁，后来制钢工业迅速发展，成为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。人类社会进入20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进、日新月异，作为“发明之母”和“产业粮食”的新材料研制更是异常活跃，出现了一个“材料革命”的新时代。

纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。当人类掌握了石器技术以后，创造出原始社会的生产力；人类掌握了青铜技术以后，创造出奴隶社会的生产力；人类掌握了铁器技术后，创造出封建社会的生产力；人类使用机器以后，创造出资本主义社会生产力。一部人类文明史，从某种意义上说，也可称之为世界材料发展史。因此新材料的发明、应用和开发往往是人类社会文明发展进程的里程碑。材料科学技术的每一次重大突破，都会引起生产技术的革命，大大加速社会发展的进程，并给社会生产和人们生活带来巨大的变化。对国民经济和现代科学技术具有重要作用的半导体材料就是一个明显的例证。半导体材料的出现极大地推动了电子工业和计算机应用技术的发展。以电子计算机为例，自1946年世界上第一台真空管电子计算机问世以来，由于锗、硅等半导体材料和晶体管等半导体器件的研制成功与广泛应用，计算机技术获得了极其迅速的发展。在短短的40多年里，经历了一代又一代的产品更新。1967年大规模集成电路的问世，导致微型计算机的出现。现在一台微型计算机的功能同世界上第一台大型电子管计算机的功能相当，而前者比后者的运算速度快几百倍，体积仅为后者的三十万分之一，重量仅为六万分之一。当前，几个原子层厚的半导体材料以及其他新型光电子材料的研究与进展，将加速整个信息技术革命的进程。

新材料——高技术发展的突破口

人类从事生产活动，首先需要有一定的材料；人们日常的衣食住行、生活起居，首先也离不开丰富多彩的材料。历史经验证明，没有新材料的出现，就没有工业的不断进步。在当前高技术竞争如此激烈的时代，所有工业国都把新材料的研究和开发放在特殊的地位。所谓新材料，主要是指最近发展起来的或正在发展中的、具有比传统材料更为优异性能的材料。目前世界上传统材料已有几十万种，而新材料的品种正以每年大约5％的增长率在不断增加。世界各国人工合成的化合物已超过800万种，并且还在以每年25万种的速度递增，其中相当一部分有发展成为新材料的潜力。

随着科学的发展，材料的“家族”越来越庞大。如果把形形色色的材料按化学组成分类，可以分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。如果从材料的使用性能角度看，又可将各种材料归纳为两大类，一类是结构材料，主要是利用材料的强度、韧性、硬度等机械性能；另一类是功能材料，则是利用材料所具有的电、光、声、磁、热等功能和效应。再具体分析，又可以从状态、物性、效应、用途等多方面来区分材料种类（表3-1）。

20世纪以来，由于许多新材料如有机高分子合成材料、半导体材料、多功能材料、新型建筑材料和超导材料等的大量出现，极大地推动了现代科学技术和社会生产的发展。科学家认为，新材料是高技术发展的突破口，而且对国计民生、国家安全以及增强国家在国际市场上的竞争力都有重要影响。谁能更快地开发和应用具有特定性能的新材料，谁就拥有最强大的技术潜力、军事实力和经济优势。正因为新材料是高技术发展的关键，所以美、日和西欧等发达国家都把新材料的研制和生产作为优先投资和开发的新领域。

我国政府历来重视新材料技术的发展，1956年以来，新材料技术一直作为优先发展的领域被列入国家科技发展规划。在1987年开始组织实施的发展高技术的“863计划”中，新材料技术被列为八大重点研究领域之一。除此之外，我国新材料的研究发展计划还有针对国民经济建设和国防建设的国家新材料攻关计划，有为高新技术产业化服务的“火炬计划”、为乡镇企业服务的“星火计划”，在国家自然科学基金计划和国家“攀登计划”中也都规定了新材料研究发展的重要内容。

表3-1　材料分类表

通过多年努力，我国新材料的研究、发展和产业化的工作已经取得了长足的进步，一大批新材料填补了国内空白，其中有些已达到国际先进水平。例如在信息材料、能源材料、高性能金属材料、新型陶瓷、先进复合材料等方面都取得了令人瞩目的成果。我国正在新材料的主要领域积极跟踪国际先进水平，努力创新，充分发挥本国资源和人才方面的优势，逐步形成具有中国特色的新材料体系。

化学家施展才华的新领域

随着材料工业的迅速发展，一门新兴的科学——材料科学正在兴起。材料科学是集现代物理、现代化学、冶金学、金属学、无机非金属材料学、有机高分子材料学等于一体的综合性科学。它以实验为依据从微观上总结和阐明各种材料的本质及指导探索新材料的理论基础，其标志技术是材料设计或分子设计，即根据需要来设计具有特定功能的新材料。

进入新的世纪，材料科学呈现出新的发展趋势。由于国民经济高速发展，信息、能源、交通、环境、国防等各方面对新型材料的需要比以往更为迫切。材料应用的广泛性、使用条件的复杂性和安全可靠性的要求也越来越高。同时，在科学技术及现代工业发展的过程中，各门学科互相靠近、交叉和渗透，并在认识和改造客观世界的任务中互相借鉴、综合和协作，为材料科学的发展提供了新的机会。例如，计算机用于材料设计、同步辐射、自由电子激光和扫描隧道显微镜等先进技术，使材料科学研究深入到一个新的层次，从强度、硬度、热性、透光性、耐腐蚀等宏观的观测，进入到对物质的原子、电子、光子等的微观认识与了解。信息科技中的超微化、高集成度、高灵敏度、高速度和高保真等要求，促使材料科学的理论和实验进入了介观^[1]体系和纳米尺度。世纪之交材料科学的发展趋势还包括：新材料将更加适应环境的需要，有利于改善人类生活质量；新材料的研制将趋于高功能化、超高性能化、复合化和智能化，等等。

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性能、变化及应用的学科。经过数百年的努力，化学家开发出许多存在于自然界中的人工天然化合物，还合成了大量自然界中不存在的合成化合物，两者的总和已超过一千万种。正是这些数量巨大的天然和合成化合物构成了当今五彩缤纷的物质世界。人类的衣、食、住、行以及工业、农业、医药、卫生、环境等各行各业都需要化学物质的支持，因此，人们称化学是一门中心科学。在现代材料科学的发展中，化学扮演着极其重要的角色，为人们认识和控制物质的组成、结构和性质，不断开发新材料，起着关键作用；而材料科学的迅猛发展，又大大丰富了化学这门古老而神奇学科的内涵。可以毫不夸张地说，化学是材料发展的源泉，同时也可以说，材料科学的发展为化学研究开辟了一个新的阵地。化学家在这门前沿学科中，找到了进一步施展自己聪明才智的新领域。他们依据化学本身对物质结构和成键复杂性的深刻理解，以及所掌握的精湛的化学反应技术，在寻找和开发新的功能性材料方面，可以大有作为。例如可以进行分子剪裁，即按照某种特定需要，在分子水平上来设计结构和进行制备；可以运用新的反应步骤，采取“硬化学”和“软化学”两种途径，合成新的化合物，并发展成为新材料和新器件。

所谓硬化学（Hard Chemistry）是指极端条件下的化学，即在超高温、超高压、强辐射、无重力、仿宇宙等条件下探索新物质的合成，并原位、实时地研究其反应、结构和物性。例如利用金刚石双顶砧压机在4000K和大于3×10¹¹帕的条件下合成碳—硅—锗体系中的未知化合物，并同时用X射线衍射、拉曼（Raman）散射等手段，研究反应过程及产物的性质和结构。又如利用爆炸冲击波中的化学反应，也可以制备得到一些常规反应条件下无法得到的材料。

所谓软化学（Soft chemistry）则是指在温和的反应条件下和缓慢的反应进程中，以可控制的步骤，一步步地进行化学反应，以制备材料。例如溶胶—凝胶方法（图3-1）是经过源物质→分子的聚合、缩合→团簇→胶粒→溶胶→凝胶→热解等步骤，可以制备得到具有指定组成、结构和物性的纳米微粒、薄膜、纤维、致密或多孔玻璃、致密或多孔陶瓷、复合材料等，也可以直接形成器件。金属有机化学气相沉积、酶促合成骨骼和人齿也属于软化学反应，这样得到的材料的物性优于常规反应合成的材料。软化学方法制作材料和器件，已形成新的产品和产业，如新型光学玻璃、具有特殊微结构的玻璃态陶瓷、化学性质均一和粒度分布集中的陶瓷粉末、复合陶瓷、大面积图像电色显示屏等都是用溶胶—凝胶方法制作的。

图3-1　溶胶—凝胶法示意图

20世纪90年代之后，高新科技进展极其迅速，世界各国新材料工业均呈现出花团锦簇的诱人景象。可以预期，在日益激烈的新技术竞争推动下，各种各样的新材料在新世纪将会大量涌现，而21世纪材料科技的突破与发展，将为信息、通讯、医疗、制造技术、航空航天技术及军事领域和产业提供更为广阔的发展空间，人类物质文明将进入一个令人神往的新时代。