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1、现代科学技术与材料科学摘要：材料科学是当代科学技术发展的四大支柱之一。可以说，人类社会的 文明史就是一部材料科学发展的历史。材料科学作为一门跨学科的边缘科学对现 代科学技术的发展起着极其重要的作用，成为科学技术发展的带头学科和重要组 成部分；而现代科学技术革命的最新成果如各种生物学、物理学和电子学方法以 及计算机技术等则更好地推动了材料科学等相关领域的科技进步和创新，导致了 一系列高新技术和高性能材料的诞生。目前，信息功能材料、高温结构材料、复 合材料、生物材料、智能材料和纳米材料取得了较大的发展，它们正成为国民经 济发展的重要动力。关键词：科技科学技术材料科学高分子材料科学相互关系作用与影响
2、引言现代科学技术是20世纪40年代兴起的世界新技术革命发展过程中逐渐形成 的一个高新科学技术群1。它以先进材料技术、先进能源技术、信息技术和生 物技术等四大学科为中心，通过其相互交叉和相互影响，为人类创造出完全不同 的物质环境；并在此基础上发生以原子能技术、电子计算机技术和空间技术为主 体的现代技术革命。现代科学技术作为一个知识体系正在对国家的经济、社会的 各个领域起到越来越重要的作用2。材料科学的发展与现代科学技术密切相关。 没有材料科学技术，其它几个领域的发展就会受到很大的影响，材料科学起到一 个带头学科的作用。另一方面，现代科学技术的发展有力地推动了材料科学的技 术进步。这种相互关系就形
3、成了材料科学与现代科学技术二者之间的促进作用和 反馈作用。本文通过对现代科技科学技术与材料科学相互关系、相互作用与影响 论述的基础上，以期对提高人们正确评价和使用现代科学技术，具有一定的现实 意义和理论意义.1材料科学是现代科学技术的重要组成部分材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之 间相互关系的科学。材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密 不可分的应用科学。通常材料按化学组成和结构可分为高分子材料、无机非金属 材料、金属材料和复合材料。按用途则分为电子材料、宇航材料、建筑材料、能 源材料、生物材料等。在实际应用中又常分为结构材料和功能材料。结构材料是
4、 以力学性质为基础，用以制造以受力为主的构件。结构材料也有物理性质或化学 性质的要求，如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能力等，根据材料 用途不同，对性能的要求也不一样。功能材料主要是利用物质的物理、化学性质 或生物现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。如半导体材料、超导材料、光电子材料、磁性材料等。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。整个人类社会的文明史就是一部材 料科学发展的历史。从石器时代、青铜器时代到铁器时代，就是以每个时代出现 的代表性材料而命名的。因此，材料一直在扮演着划分时代的角色。可以说，材 料是人类社会的里程碑。20世纪初叶，随着科学技术的迅猛发展，人工合成
5、高 分子材料及先进(功能)陶瓷材料相继得到了发展，满足了国民经济、国防尖端科 学和高科技领域，及电力、电子技术和航天技术的发展和需要。20世纪70年代， 人们把信息、材料和能源作为社会文明和科技发展的三大支柱。80年代，随着 高技术群的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要 标志。现代社会，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部 分。以高分子材料发展为例，随着现代科技革命的发展，高分子材料已由传统的 三大合成扩展为高分子物理与物化、高分子化学、高分子(加工)工艺与工程学、 功能咼分子、聚合物基复合材料等不同的分支，推动了咼分子科学的进步。咼性 能化、高功能
6、化、复合化、精细化、智能化是现代及未来高分子科学的主要内容。 功能高分子是高分子材料中充满活力的新领域，虽然目前尚处于发展初期，但它 肯定将是高分子材料科学的希望所在。高功能化所研究的内容包括:赋予其电磁、 光学、物质传输、分离、催化、生物及力学功能等。高性能化主要对一些通用的 单一高分子材料进行高性能化；通过对现有品种修饰改性技术高性能化，其目的 是为了满足航空航天、电子信息、汽车工业、家用电器等多方面高技术领域的需 要。在复合化研究中，以玻璃纤维增强塑料(GFRP)为主的复合材料当前已进入 大规模生产和应用阶段，而高性能结构复合材料(ACM)作为新材料革命的一个主 要方向，目前主要应用于航
7、空、宇航、军事、造船、海洋工程技术等方面。精细 化主要是适应电子信息技术的日新月异的发展而发展的。有机电子材料、有机导 体、超导体、有机与高分子非线性光学材料、有机铁磁体、有机半导体、光导体 等精细化技术所用原材料及加工工艺技术进一步向高纯化、超净化、功能化方向 发展。材料的智能化对材料科学家来说是一项带有挑战性的未来的重大课题，从 功能材料到智能材料是材料科学的一次飞跃。它将是新材料、分子•原子 级工程技术、生物技术和人工智能多方面学科知识渗透融合的产物。如今，材料科学已经发展成为一门具有几十个分支学科的、有自己独特的研 究理论、研究方法和目标的较为成熟、系统、综合的科学。纵观材
8、料科学的发展 过程可以看出，它既是化学科学的前沿科学，又是生命科学、物理学及电子学等 的理论基础。材料科学的发展与现代科学技术革命存在密切的联系。2.现代科技革命使材料科学发展为一门跨学科边沿性学科现代科技革命，尤其是20世纪以来以原子能技术、电子计算机技术和空间 技术为主体的现代技术革命的飞速发展使材料科学获得巨大的发展。原子能技术 是20世纪初物理学革命的物化成果之一。放射性和电子的发现，打开了微观物 质世界的大门；量子力学,核物理学的发展表明人们对微观世界认识的不断深入， 引起材料科学等领域的革命性的变化。以光学显微技术、透射电子显微术、场粒 子显微术、扫描电子显微术、扫描隧道显微术和原
9、子力显微术为基础的图像分析 技术使我们能在更高层次上对材料结构特征进行研究。以色谱、热谱、能谱及光 谱分析为基础的非图像分析法则使我们能方便地进行物象组成分析。电子计算机的发明是人类文明发展史上又一里程碑式的重大发明。以计算机 应用为主要标志的信息时代的来临给材料科学的发展带来巨大的冲击3o人类 依靠电子计算机模拟很好地实现了高分子材料流体力学模型的建立。材料科学的 研究和发展因而也跨上了计算机化这一平台。当代信息技术的发展也推动了纳米 尺度磁性(Nanoscale magnetism)的研究，由几十个到几百个原子组成的分子磁体 表示出许多特性，如量子隧穿效应、量子相干效应等。随着科学技术的不
10、断进步，尤其是航空航天和海洋工程技术等现代科学技术 的发展，使材料技术，尤其是先进复合材料迅猛发展 4, 5。先进复合材料 (Advanced Composites ACM)专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚 度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前主要指有较高强度和模量的 硼纤维、碳纤维、芳纶等增强的复合材料。ACM在航空航天等军事上的应用价 值特别大。比如，军用飞机和卫星，要又轻又结实；军用舰船，要又耐高压又耐 腐蚀。这些苛刻的要求，只有借助新材料技术才能解决。ACM具有质量轻，较 高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高 (低)温，独特的耐烧蚀
11、性、透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制 备的灵活性和易加工性等特点，被大量地应用到航空航天等军事领域中，是制造 飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料6。生物材料科学是20世纪新兴学科中最耀眼的新星之一。现在，生物材料科 学已成为一门与人类现代医疗保健系统密切相关的边缘学科，其重要性不仅因为 它与人类自身密切相关，还因为它跨越了材料、医学、物理、生物化学和现代高 科技等诸多学科领域7。随着新一代生物医学科学的发展，对该材料提出了更 高的要求。现在对于该材料的研究已从被动地适应生物环境发展到有目的地设计 材料，以达到与生物组织的有机连接；并随着生命科学和材料科学的发展，生物 材料必
12、将走向功能性半生命方向。生物材料的临床应用已从短期的替换和填充发 展成永久性牢固种植，并与其它高科技(如电子技术、信息处理技术)相结合制备 富有应用潜力的医疗器械。总之，现代科技革命推动者材料科学发展，已使材料科学发展为一门跨学科 边沿性学科。3材料科学在国民经济和现代科技革命中的地位和作用材料科学和自然科学其他学科的发展也为现代科学技术革命奠定了基础，推 动这现代科技革命的发展。北京大学徐光宪院士曾预言：“2世纪是信息科学、 合成化学和生命科学共同繁荣的世纪”8。20世纪的6大技术发明“信息技术、 生物技术、核科学和核武器技术、航空航天和导弹技术、激光技术和纳米技术， 都离不开材料科学，材料
13、科学是当今世界科学技术的带头学科之一。如果没有合 成各种抗生素和大量新药物的技术，人类不能有效地预防和控制疾病，平均寿命 就要缩短25年。如果没有合成纤维、合成塑料、合成橡胶三大合成材料及其高 分子材料科学的发展，人类生活要受到很大影响。高分子科学教程上有一句话很 能反映这一现实“在大街上你曾见到过一个绝对不与高分子材料打交道的人 吗？ ”。信息技术的核心是集成电路芯片，这是化学合成硅单晶片上经过光刻生 产的，计算机的存储器材料也是化学合成的，其它部件用了大量合成高分子材料。 又如核电站的关键是核燃料，而核燃料铀、钚等的生产和后处理、废水处理等都 是化学工业。激光、航空、航天、导弹和纳米等技术
14、无不需要化学合成的高新材 料。所以如果没有化学材料合成技术，上述六大技术根本无法实现。我们知道，现代的材料按化学组成和结构可分为金属材料、有机材料和无机 非金属材料，也即金属材料、高分子材料和无机材料。一般而言，材料可以分为 传统材料和先进材料两大类。先进材料是指那些新近开发或正在开发的、具有优 异性能的材料。先进材料对高科技和新技术具有非常关键的作用，没有先进材料 就没有发展高科技的物质基础，掌握先进材料是一个国家在科技上处于领先地位 的标志之一。现代科学技术的发展具有学科之间相互渗透、综合交叉的特点，科学和经济 之间的相互作用，推动了当前最活跃的信息科学、生命科学和材料科学的发展， 又导致
15、了一系列高新技术和高性能材料的诞生。信息功能材料、高温结构材料、 复合材料、生物材料、智能材料和纳米材料取得了较大的发展，它们正成为国民 经济发展的重要动力。信息功能材料是当代新技术如能源技术、信息技术、激光 技术、计算机技术、空间技术、海洋工程技术、生物工程技术的物质基础，是新 技术革命的先导；高温结构材料是人类遨游太空，从必然王国飞跃到自由王国的 基础；毫米时代人类发明了拖拉机，微米时代人类发明了计算机，以纳米材料为 基础的纳米时代，人类将会发明什么？所有这些都在告诉人们21世纪的先进材 料给人类带来了新的机遇与挑战。21世纪的人类科学技术，将以先进材料技术、 先进能源技术、信息技术和生物
16、技术等四大学科为中心，通过其相互交叉和相互 影响，为人类创造出完全不同的物质环境。新型的受欢迎的材料，将是与生物和 自然具有很好的适应性、相容性和环境友好的材料。例如，现代材料化学向生理 学的渗透，各种强有力的研究手段的运用，使生物学取得革命性的突破，其主要 标志是分子生物学的诞生。1953年，美国人沃生(J.D.Watson)和英国人克里克 提出DNA双螺旋结构模型，被认为是这门科学诞生的标志。在这以后、人们又 进一步搞清了核酸、蛋白质等生物大分子的结构，并揭示了遗传密码和核酸信息 控制蛋白质特异结构的合成机制，由此建立了生物遗传信息概念，为分子生物学 的发展开辟了广阔的前景。材料与人类生活息息相关，人类生活的进步、人类社会的发展都是以材料的 发展为前提的。因此，性能不断提高、来源愈来愈广泛、能满足人类生活和社会 日益增长的需要的新材料，将会以更快的速度、更高的质量和性能来获得发展。 我们有理由相信，在人类科技将会取得辉煌进步的21世纪，一系列高性能、有 广泛用途的各种新材
