當材料遇上物理：創新永不停

陸蓉兒

南京大學材料物理專業碩博連讀二年級

當材料遇上物理：創新永不停

陸蓉兒

南京大學材料物理專業碩博連讀二年級

小斯斯：本人高三，喜歡物理。我聽說大學里物理方面的專業有物理、應用物理、核物理、材料物理等好多個，這里面聽起來比較有趣的是材料物理，我想知道會學點什么。

想知道材料物理專業學點什么，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。“材料物理”就是從電、光、熱、聲、磁、力等物理性能角度出發，研究各種材料的成分、結構、性能特點以及制備合成、加工應用。

比如家中安裝的寬帶網絡、數字電視，都依靠光纖傳播信號。光纖的全名是光導纖維，是根據光的全反射原理制成的。一根光導纖維由高折射率的內芯和低折射率的外套兩層組成，光由一端進入，在內芯和外套的界面上經多次全反射，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。

又比如很多人家中使用的白光LED燈，也是利用光學原理研發的。眾所周知，在可見光的光譜中是沒有白光的，因為白光不是單色光，它是由至少兩種單色光混合得到的，白色的太陽光甚至是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種單色光合成的。白光LED燈的發光芯片一般發藍光，在燈內壁涂抹發黃光的熒光層，藍光照射出來的時候部分被吸收，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用的學科。從光導纖維內外芯材料的研發制造，到白光LED燈芯片和熒光層的設計，甚至是用于航空航天、國防科技項目的新型合金、高分子復合材料……可以說社會需要什么，我們就研究什么。

即使在本科學習階段，你也要盡可能地去創新。

研究出新材料，或者找到材料的新性質和新應用，是材料物理研究的終極目標。正因如此，學校非常鼓勵學生參與創新創業訓練項目。老師們會發布一些材料學研究的前沿問題，有的偏重理論計算，有的側重實驗，大家可以根據自己的興趣自由選擇課題和相關導師。我就在大二學年末申請參與了“光學超晶格中的非對易效應的理論研究”項目。

上過物理課就會知道，當光線入射到某一均勻材料時，會產生折射現象。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生的折射光的強度。這有什么用呢？舉個例子，在光纖通信中，在光源和光導纖維的銜接處設置這種材料，從光導纖維端面反射回來的光通過這種材料時，折射光強度被減弱，就能有效地抑制它對光源的影響，信號也就更清晰。我參與的研究項目就是要設計這種理想中的材料。

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

經過大量的研究和計算，對于想要得到多大強度的折射光，相應的光學超晶格材料的結構應該是怎樣的，我們最終給出了具體的數學解析表達式。實驗、生產中需要產生多少光強偏差的材料，參考解析式給出的結構參數直接制作就可以了。

科研之路非常難走，物理、數學基礎要打好。

科研之路本來就是困難重重的，更別提像我們這樣剛起步的本科生了。接手“光學超晶格中的非對易效應的理論研究”項目之初，我們甚至都不知道從哪里著手研究。大學里雖然有物理學方面的課程，從牛頓力學、熱學、電磁學、光學到電動力學、量子力學都不缺；我們也會學習材料科學方面的知識，包括材料的成分、組織結構、性能特點、加工的工藝技術，但這些都只是入門課，是打基礎用的。對超晶格材料，我們只有一些基礎概念，到底哪些材料的內部結構經過人工處理可以讓光的折射強度產生偏差、哪些材料不適合這樣做、推算偏差程度能用哪些公式……根本就是一頭霧水啊！

好在前人已經有了一些研究成果。在項目進行之初，我們先花了一段日子閱讀大量論文，從中找尋適合的材料。在整個研究過程中，遇到任何問題我們都會先到文獻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的數學能力。入射與折射本身是一個光學現象，角度和光強計算需要用到數學知識；材料內部的原子排列順序更要通過數學建模與計算得出。雖然大一、大二學了高等數學、微積分、線性代數等課程，但看到那些動不動就占一兩行的復雜公式還是讓人傻眼。要解決這個問題，只能不斷請教導師，認真看《數學手冊》學習公式秘籍。

通過計算得出了解析式，還要由計算機來模擬折射過程，驗證解析式是否正確，這時就需要用上MATLAB語言編寫程序。這就需要我們熟悉程序語言，所以一有空我們就會上網找編程例子，反復練習。

功夫不負有心人，經過兩年的努力，大四那年我們終于提出了自己的研究方案和實驗方法，在國際期刊《Optics Communications》上發表了研究成果，我還是這篇論文的第一作者！

轉變眼光看事物，抽象思維研究微觀世界。

在眾多參與創新項目的本科生中，我是幸運的。有些項目因為實驗設備不齊全導致實驗結果不理想，有些則因為參與者能力不足等原因夭折了。但不管結果如何，這都是大學里難得的科研經歷。并且通過科研，我們慢慢地開始具備一個材料物理人的專業素養。

這首先反映在看事物的眼光改變了，我們能站在材料科學的角度認識生活中隨處可見的事物。比如路上開過一輛跑車，過去我們會更關注它的外觀：“哇，這車真拉風！”現在，我們關注的是這輛跑車輪胎是什么橡膠材料做的、車身的鋼材中會添加哪些金屬元素、擋風玻璃用什么材料制成……因為材料的選擇對汽車的美觀、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，必須加入各種化學添加劑，其中一種很重要的添加劑叫炭黑，主要用來提高輪胎的硬度、強度和耐磨性。

另外，我們開始建立強大的抽象思維和空間想象能力，透過物質表面，研究微觀結構和性能。

比如，你知道激光是如何形成的嗎？一個原子中的電子有很多能級，當電子從高能級向低能級躍遷時，電子的能量就減少了。這些減少的能量轉變成光子發射出去，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？重量是多少？運動軌跡是怎么樣的？……這可比看得見的橡膠、塑料難懂得多。研究這些存在于微觀世界里我們看不見摸不著的物質，離不開各類數據的曲線圖、各種模型圖像。要在腦子里建立起它們的結構圖像，理解它們的性能和變化，不得不佩服自己“腦洞”還挺大呢！

學成之后……

經過四年辛苦的學習，也有了一定的科研經驗和成果，難免憧憬未來之路怎么走。

客觀地說，材料物理專業本科畢業生的就業機會還算多，哪里需要制造材料，哪里就有我們的身影。比如我的同學就有進入華為電子、瑞聲科技等電子科技公司，或者海力士半導體公司等材料研發制造公司，去設計芯片等通信材料、手機內存等存儲記憶材料、電池等能源材料，或者做產品測試，驗證產品材料是否滿足設計的需求。還有一些同學利用課余時間自學了不少編程知識，畢業后去互聯網公司干起了各種APP、游戲軟件的開發工作。

雖然本科畢業的就業面較廣，但一般情況下起薪不高，加之目前整體就業形勢嚴峻，很多人會選擇進一步深造。

我這一屆本科畢業生中，就業的同學大致占三成，其余都讀研了。材料學、材料加工、光學工程、能源工程等都是不錯的讀研方向。由于國外的材料科學研究較國內成熟些，實驗設備也更為先進，因此讀研的隊伍中，約有三成同學選擇了出國深造。

院校推薦

浙江大學、哈爾濱工業大學、南京理工大學、長春理工大學以上院校2017年高考浙江省選考科目范圍：物理、化學