當(dāng)材料遇上物理：創(chuàng)新永不停

陸蓉兒

南京大學(xué)材料物理專業(yè)碩博連讀二年級(jí)

當(dāng)材料遇上物理：創(chuàng)新永不停

陸蓉兒

南京大學(xué)材料物理專業(yè)碩博連讀二年級(jí)

小斯斯：本人高三，喜歡物理。我聽說(shuō)大學(xué)里物理方面的專業(yè)有物理、應(yīng)用物理、核物理、材料物理等好多個(gè)，這里面聽起來(lái)比較有趣的是材料物理，我想知道會(huì)學(xué)點(diǎn)什么。

想知道材料物理專業(yè)學(xué)點(diǎn)什么，先得搞明白——

什么是材料物理？

一切物品的制造都離不開材料?！安牧衔锢怼本褪菑碾姟⒐?、熱、聲、磁、力等物理性能角度出發(fā)，研究各種材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)以及制備合成、加工應(yīng)用。

比如家中安裝的寬帶網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字電視，都依靠光纖傳播信號(hào)。光纖的全名是光導(dǎo)纖維，是根據(jù)光的全反射原理制成的。一根光導(dǎo)纖維由高折射率的內(nèi)芯和低折射率的外套兩層組成，光由一端進(jìn)入，在內(nèi)芯和外套的界面上經(jīng)多次全反射，從另一端射出。用特殊的接收儀器，就能接收光纖傳遞的信號(hào)。

又比如很多人家中使用的白光LED燈，也是利用光學(xué)原理研發(fā)的。眾所周知，在可見(jiàn)光的光譜中是沒(méi)有白光的，因?yàn)榘坠獠皇菃紊?，它是由至少兩種單色光混合得到的，白色的太陽(yáng)光甚至是由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種單色光合成的。白光LED燈的發(fā)光芯片一般發(fā)藍(lán)光，在燈內(nèi)壁涂抹發(fā)黃光的熒光層，藍(lán)光照射出來(lái)的時(shí)候部分被吸收，另一部分則與黃光混合得到白光。

你看，材料物理就是這樣一門實(shí)用的學(xué)科。從光導(dǎo)纖維內(nèi)外芯材料的研發(fā)制造，到白光LED燈芯片和熒光層的設(shè)計(jì)，甚至是用于航空航天、國(guó)防科技項(xiàng)目的新型合金、高分子復(fù)合材料……可以說(shuō)社會(huì)需要什么，我們就研究什么。

即使在本科學(xué)習(xí)階段，你也要盡可能地去創(chuàng)新。

研究出新材料，或者找到材料的新性質(zhì)和新應(yīng)用，是材料物理研究的終極目標(biāo)。正因如此，學(xué)校非常鼓勵(lì)學(xué)生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目。老師們會(huì)發(fā)布一些材料學(xué)研究的前沿問(wèn)題，有的偏重理論計(jì)算，有的側(cè)重實(shí)驗(yàn)，大家可以根據(jù)自己的興趣自由選擇課題和相關(guān)導(dǎo)師。我就在大二學(xué)年末申請(qǐng)參與了“光學(xué)超晶格中的非對(duì)易效應(yīng)的理論研究”項(xiàng)目。

上過(guò)物理課就會(huì)知道，當(dāng)光線入射到某一均勻材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象。我們希望有這樣一種材料，可以按照人們的需求控制光線入射后產(chǎn)生的折射光的強(qiáng)度。這有什么用呢？舉個(gè)例子，在光纖通信中，在光源和光導(dǎo)纖維的銜接處設(shè)置這種材料，從光導(dǎo)纖維端面反射回來(lái)的光通過(guò)這種材料時(shí)，折射光強(qiáng)度被減弱，就能有效地抑制它對(duì)光源的影響，信號(hào)也就更清晰。我參與的研究項(xiàng)目就是要設(shè)計(jì)這種理想中的材料。

從物理學(xué)角度說(shuō)，同樣的元素組成，只是內(nèi)部原子排列方式的不同，也可以形成具有不同性質(zhì)的材料。把不同材料一層一層有序地疊加起來(lái)，或者把某一種材料的內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)重新排列，就可能得到控制光線折射強(qiáng)度的“光學(xué)超晶格”材料。

經(jīng)過(guò)大量的研究和計(jì)算，對(duì)于想要得到多大強(qiáng)度的折射光，相應(yīng)的光學(xué)超晶格材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是怎樣的，我們最終給出了具體的數(shù)學(xué)解析表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)中需要產(chǎn)生多少光強(qiáng)偏差的材料，參考解析式給出的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接制作就可以了。

科研之路非常難走，物理、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要打好。

科研之路本來(lái)就是困難重重的，更別提像我們這樣剛起步的本科生了。接手“光學(xué)超晶格中的非對(duì)易效應(yīng)的理論研究”項(xiàng)目之初，我們甚至都不知道從哪里著手研究。大學(xué)里雖然有物理學(xué)方面的課程，從牛頓力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)到電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)都不缺；我們也會(huì)學(xué)習(xí)材料科學(xué)方面的知識(shí)，包括材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)、加工的工藝技術(shù)，但這些都只是入門課，是打基礎(chǔ)用的。對(duì)超晶格材料，我們只有一些基礎(chǔ)概念，到底哪些材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)人工處理可以讓光的折射強(qiáng)度產(chǎn)生偏差、哪些材料不適合這樣做、推算偏差程度能用哪些公式……根本就是一頭霧水??！

好在前人已經(jīng)有了一些研究成果。在項(xiàng)目進(jìn)行之初，我們先花了一段日子閱讀大量論文，從中找尋適合的材料。在整個(gè)研究過(guò)程中，遇到任何問(wèn)題我們都會(huì)先到文獻(xiàn)中尋找是否有可以借鑒的解決方案。

做科研還必須具備很強(qiáng)的數(shù)學(xué)能力。入射與折射本身是一個(gè)光學(xué)現(xiàn)象，角度和光強(qiáng)計(jì)算需要用到數(shù)學(xué)知識(shí)；材料內(nèi)部的原子排列順序更要通過(guò)數(shù)學(xué)建模與計(jì)算得出。雖然大一、大二學(xué)了高等數(shù)學(xué)、微積分、線性代數(shù)等課程，但看到那些動(dòng)不動(dòng)就占一兩行的復(fù)雜公式還是讓人傻眼。要解決這個(gè)問(wèn)題，只能不斷請(qǐng)教導(dǎo)師，認(rèn)真看《數(shù)學(xué)手冊(cè)》學(xué)習(xí)公式秘籍。

通過(guò)計(jì)算得出了解析式，還要由計(jì)算機(jī)來(lái)模擬折射過(guò)程，驗(yàn)證解析式是否正確，這時(shí)就需要用上MATLAB語(yǔ)言編寫程序。這就需要我們熟悉程序語(yǔ)言，所以一有空我們就會(huì)上網(wǎng)找編程例子，反復(fù)練習(xí)。

功夫不負(fù)有心人，經(jīng)過(guò)兩年的努力，大四那年我們終于提出了自己的研究方案和實(shí)驗(yàn)方法，在國(guó)際期刊《Optics Communications》上發(fā)表了研究成果，我還是這篇論文的第一作者！

轉(zhuǎn)變眼光看事物，抽象思維研究微觀世界。

在眾多參與創(chuàng)新項(xiàng)目的本科生中，我是幸運(yùn)的。有些項(xiàng)目因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備不齊全導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，有些則因?yàn)閰⑴c者能力不足等原因夭折了。但不管結(jié)果如何，這都是大學(xué)里難得的科研經(jīng)歷。并且通過(guò)科研，我們慢慢地開始具備一個(gè)材料物理人的專業(yè)素養(yǎng)。

這首先反映在看事物的眼光改變了，我們能站在材料科學(xué)的角度認(rèn)識(shí)生活中隨處可見(jiàn)的事物。比如路上開過(guò)一輛跑車，過(guò)去我們會(huì)更關(guān)注它的外觀：“哇，這車真拉風(fēng)！”現(xiàn)在，我們關(guān)注的是這輛跑車輪胎是什么橡膠材料做的、車身的鋼材中會(huì)添加哪些金屬元素、擋風(fēng)玻璃用什么材料制成……因?yàn)椴牧系倪x擇對(duì)汽車的美觀、耐用和安全性能有很大影響。比如，輪胎大多用合成橡膠或天然橡膠制作，在制作中，必須加入各種化學(xué)添加劑，其中一種很重要的添加劑叫炭黑，主要用來(lái)提高輪胎的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。

另外，我們開始建立強(qiáng)大的抽象思維和空間想象能力，透過(guò)物質(zhì)表面，研究微觀結(jié)構(gòu)和性能。

比如，你知道激光是如何形成的嗎？一個(gè)原子中的電子有很多能級(jí)，當(dāng)電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，電子的能量就減少了。這些減少的能量轉(zhuǎn)變成光子發(fā)射出去，大量的這種光子就形成激光。那么在躍遷的前后，電子處于什么樣的能量狀態(tài)？重量是多少？運(yùn)動(dòng)軌跡是怎么樣的？……這可比看得見(jiàn)的橡膠、塑料難懂得多。研究這些存在于微觀世界里我們看不見(jiàn)摸不著的物質(zhì)，離不開各類數(shù)據(jù)的曲線圖、各種模型圖像。要在腦子里建立起它們的結(jié)構(gòu)圖像，理解它們的性能和變化，不得不佩服自己“腦洞”還挺大呢！

學(xué)成之后……

經(jīng)過(guò)四年辛苦的學(xué)習(xí)，也有了一定的科研經(jīng)驗(yàn)和成果，難免憧憬未來(lái)之路怎么走。

客觀地說(shuō)，材料物理專業(yè)本科畢業(yè)生的就業(yè)機(jī)會(huì)還算多，哪里需要制造材料，哪里就有我們的身影。比如我的同學(xué)就有進(jìn)入華為電子、瑞聲科技等電子科技公司，或者海力士半導(dǎo)體公司等材料研發(fā)制造公司，去設(shè)計(jì)芯片等通信材料、手機(jī)內(nèi)存等存儲(chǔ)記憶材料、電池等能源材料，或者做產(chǎn)品測(cè)試，驗(yàn)證產(chǎn)品材料是否滿足設(shè)計(jì)的需求。還有一些同學(xué)利用課余時(shí)間自學(xué)了不少編程知識(shí)，畢業(yè)后去互聯(lián)網(wǎng)公司干起了各種APP、游戲軟件的開發(fā)工作。

雖然本科畢業(yè)的就業(yè)面較廣，但一般情況下起薪不高，加之目前整體就業(yè)形勢(shì)嚴(yán)峻，很多人會(huì)選擇進(jìn)一步深造。

我這一屆本科畢業(yè)生中，就業(yè)的同學(xué)大致占三成，其余都讀研了。材料學(xué)、材料加工、光學(xué)工程、能源工程等都是不錯(cuò)的讀研方向。由于國(guó)外的材料科學(xué)研究較國(guó)內(nèi)成熟些，實(shí)驗(yàn)設(shè)備也更為先進(jìn)，因此讀研的隊(duì)伍中，約有三成同學(xué)選擇了出國(guó)深造。

院校推薦

浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)以上院校2017年高考浙江省選考科目范圍：物理、化學(xué)