材料化学与材料物理

材料化学与材料物理

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材料化学是从化学的角度研究材料的设计、制备、组成、结构、表征、性质和应用的一门科学。它既是材料科学的一个重要分支，又是化学学科的一个组成部分，具有明显的交叉学科、边缘学科的性质。通过应用研究可以发现材料中规律性的东西，从而指导材料的改进和发展。在新材料的发现和合成，纳米材料制备和修饰工艺的发展以及表征方法的革新等领域所作出了的独到贡献。材料化学在原子和分子水准上设计新材料的战略意义有着广阔应用前景。随着国民经济的迅速发展以及材料科学和化学科学领域的不断进展，作为新兴学科的材料化学发展日新月异。是一个跨学科领域涉及的问题性质及其应用领域的各种科学和工程。这一科学领域探讨了在原子或分子尺度材料的结构之间的关系及其宏观性能。随着媒体的关注明显集中在纳米科学和纳米技术，在近年来材料科学逐步走在很多大学的前列。对一个给定的材料往往是时代的选择，它的界定点。材料的化学分析方法可分为经典化学分析和仪器分析两类。前者基本上采用化学方法来达到分析的目的，后者主要采用化学和物理方法（特别是最后的测定阶段常应用物理方法）来获取结果，这类分析方法中有的要应用较为复杂的特定仪器。现代分析仪器发展迅速，且各种分析工作绝大部分是应用仪器分析法来完成的，但是经典的化学分析方法仍有其重要意义。应用化学方法或物理方法来查明材料的化学组分和结构的一种材料试验方法。鉴定物质由哪些元素（或离子）所组成，称为定性分析；测定各组分间量的关系（通常以百分比表示），称为定量分析。有些大型精密仪器测得的结果是相对值，而仪器的校正和校对所需要的标准参考物质一般是用准确的经典化学分析方法测定的。因此，仪器分析法与化学分析法是相辅相成的，很难以一种方法来完全取代另一种。

经典化学分析根据各种元素及其化合物的独特化学性质，利用与之有关的化学反应，对物质进行定性或定量分析。定量化学分析按最后的测定方法可分为重量分析法、滴定分析法和气体容量法。

①重量分析法：使被测组分转化为化学组成一定的化合物或单质与试样中的其他组分分离，然后用称重方法测定该组分的含量。

②滴定分析法：将已知准确浓度的试剂溶液（标准溶液）滴加到被测物质的溶液中，直到所加的试剂与被测物质按化学计量定量反应完为止，根据所用试剂溶液的体积和浓度计算被测物质的含量。

③气体容量法：通过测量待测气体(或者将待测物质转化成气体形式)被吸收（或发生）的容积来计算待测物质的量。这种方法应用天平滴定管和量气管等作为最终的测量手段。

仪器分析根据被测物质成分中的分子、原子、离子或其化合物的某些物理性质和物理化学性质之间的相互关系，应用仪器对物质进行定性或定量分析。有些方法仍不可避免地需要通过一定的化学前处理和必要的化学反应来完成。仪器分析法分为光学、电化学、色谱和质谱等分析法。

光学分析法：根据物质与电磁波(包括从γ射线至无线电波的整个波谱范围)的相互作用，或者利用物质的光学性质来进行分析的方法。最常用的有吸光光度法（红外、可见和紫外吸收光谱）、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、发射光谱法、荧光分析法、浊度法、火焰光度法、X射线衍射法、X射线荧光分析法、放射化分析法等。

材料物理是使用物理描述材料在许多不同的方式，如力，热，光，力学。这是一个综合

的物理科学，如化学，固体力学和固体物理材料物理的特色方向在半导体物理，电子材料，微电子器件等领域，例如CPU。对专业人员的数学，物理基础要求较高。材料物理主要研究方向有：固体微结构分析于信息功能材料，位移式相变与形状记忆和超弹性材料，复合功能材料与智能结构，生物医学材料及应用以及界面化学与功能陶瓷等。例如我们常用的光盘，小体积却具有那么大的存储容量，就需要固体微结构分析来保证，同时其也是信息功能材料。又比如我们常用的饮水机陶瓷过滤器就是一个有很多微小通孔的功能陶瓷器件，能让水流过而阻塞其中的杂质。

材料物理（Material Physics）专业，一般属于材料科学与工程系学院下辖的专业之一。所涉及到的方面主要是材料的宏观及微观结构，尤其是微观结构，材料的物理性能基本参数以及这些参数的物理本质。

材料物理专业是材料科学与工程里面不可或缺的重要组成部分。犹如支撑万丈高楼的基石，材料支撑着人类文明。很多人觉得新世纪是“信息技术”的世界，不过任何技术赖以实现的物质基础还是材料，这一重要地位在人类社会发展到任何阶段都无法改变，而且必将越来越重要。随着科学技术的发展，材料正朝着微型化、功能化、智能化的方向发展。现在颇为流行的纳米材料、环境材料、电子材料、信息材料，大部分都是材料的物理性能在各特殊领域的应用。比如纳米材料，可以说就是纳米尺度下的材料物理学。材料物理专业所研究的磁学及光学性质在信息材料领域有着巨大的应用空间，是现代半导体、微电子、光电子产业发展的理论及应用基础。因此，随着材料产业以及信息产业在新世纪的飞速发展，材料物理专业也必将迎来自己的辉煌。本专业由名称就可以清楚地看出内容以材料学、物理学两方面为重点。物理学中的力、热、光、声均在此专业有广泛应用，当然侧重点还与将来个人的研究方向有关。比如说：对于研究信息材料磁存储技术的，铁磁学是中心课程，但是力学、电学、热学多少也要有所涉及。原子物理、固体物理、晶体学、X光技术、电子显微分析等课程也是比较重要的课程。所以这门专业主要偏重高中课程对应的物理，比较适合那些对微观结构和理论物理感兴趣的同学。在测量微观结构的时候，X光技术、电子显微技术（高倍电子显微镜）可能会涉及到一些辐射问题，当然，并不是很普遍而且剂量非常低。随着技术的进步，辐射问题应该降低直至完全消除。

材料化学与材料物理相互交叉、相互补充而成为现代材料科学技术的基础，而两者之间又有所区别和分工。

他们的不同点有：

材料化学是从化学的角度研究材料的设计、制备、组成、结构、表征、性质和应用的一门科学。料化学是一门研究材料的制备、组成、结合、性质及其应用的科学。它既是材料科学的一个重要分支，也是材料科学的核心内容，同时又是化学学科的一个组成部分。因此，材料化学具有明显的交叉学科、边缘学科的性质。材料化学的主要内容包括材料的化学组成及结构方面的基础知识、材料相变的化学热力学理论，以及金属材料、非金属材料、高分子材料、复合材料的制备过程、结构特性与使用性能之间的关系。材料化学对于从事材料研究与制备的学生和工程技术人员来说是一门重要的课程，对于培养该类人员从化学角度提出问题、分析问题、解决问题的能力具有重要的意义。

材料化学（Material Chemistrty）专业一般是作为材料科学与工程系／学院中的一个专业方向。主要的研究范畴并不是材料的化学性质（尽管从字面上可以这么理解），而是材料在制备、使用过程中涉及到的化学过程、材料性质的测量。比如陶瓷材料在烧结过程中的变化（也就是怎么才能烧出想要的陶瓷）、金属材料在使用过程中的腐蚀现象（怎样防止生锈）、冶金过程中条件的控制对产品的影响（怎么才能炼出优质钢材）等等。材料性质的测量也不同于材料物理专业的方法。材料化学专业所研究的大多跟传统产业有关，属于解决实际问题的理论学科，因此材料化学专业研究的课题没有那么新潮和热门，但是在现实生产中，对优

秀的材料化学方面人才的需求是巨大的，例如说冶金行业，在钢铁、有色金属冶炼过程中效率低、产品质量差、生产过程中浪费严重等问题，都需要用材料化学的知识来解决。中国虽然一直以陶瓷闻名世界，但实际世界上精密陶瓷（用于电子材料中，价钱非常昂贵）绝大部分是由日本制造的，就是因为我们在配料、控制烧结条件等环节技术力量太差，而材料化学正是解决这些问题的。所以材料化学专业不仅实用价值高，而且发展空间大。

材料物理强调各类材料的共同规律性，而材料化学则注意材料随组成变化的特性；材料物理研究材料中性质的连续变化，材料化学则关心由化学反应所产生的突变；材料物理研究实在物质的结构与物性，而材料化学将研究这些实在物质的制备、组成结构及由此引起的性能变化。

材料物理（Material Physics）专业，一般属于材料科学与工程系学院下辖的专业之一。所涉及到的方面主要是材料的宏观及微观结构，尤其是微观结构，材料的物理性能基本参数以及这些参数的物理本质。材料物理侧重研究构成物质的原子、离子及电子的运动和相互作用，提出各种模型和理论，以阐明材料结构和物性。

材料物理专业是材料科学与工程里面不可或缺的重要组成部分。犹如支撑万丈高楼的基石，材料支撑着人类文明。很多人觉得新世纪是“信息技术”的世界，不过任何技术赖以实现的物质基础还是材料，这一重要地位在人类社会发展到任何阶段都无法改变，而且必将越来越重要。随着科学技术的发展，材料正朝着微型化、功能化、智能化的方向发展。现在颇为流行的纳米材料、环境材料、电子材料、信息材料，大部分都是材料的物理性能在各特殊领域的应用。比如纳米材料，可以说就是纳米尺度下的材料物理学。材料物理专业所研究的磁学及光学性质在信息材料领域有着巨大的应用空间，是现代半导体、微电子、光电子产业发展的理论及应用基础。因此，随着材料产业以及信息产业在新世纪的飞速发展，材料物理专业也必将迎来自己的辉煌。以材料学、物理学两方面为重点。物理学中的力、热、光、声均在此专业有广泛应用。

他们的相同点有：因此材料物理与材料化学是都是以物理、化学和数学等自然科学为基础，从分子、原子、电子等多层次上研究材料的物理、化学规律的科学，致力于研究开发先进材料与相关器件，其包含的知识是非常广的。

要讨论材料化学与材料物理在材料科学与工程中的作用首先，我们明确了几个概念——材料科学、材料物理和材料化学。我们不难发现材料化学和材料物理在材料科学中有着举足轻重的作用，而如何学好这两门课程则不仅是满足本专业学科的充分要求，也是今后我们从事材料事业以及相关领域工作的必备条件。

可以预计，新材料物理和新材料化学的发展是21世纪材料科学研究重要的发展方向之一。新材料的发展趋势是：复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微观化。如，成分密度和功能不均匀的梯度材料；可随空间时间条件而变化的智能材料；变形速度快的压电材料以及精细陶瓷材料等都将成为下世纪重要的新材料。材料专家预计，21世纪新材料品种可能突破100万种。

例如超晶格材料，由不同材料的薄膜交替组成的超晶格材料可望成为新一代的微电子、光电子材料。超晶格材料诞生于20世纪70年代末，在短短不到30年的时间内，已逐步揭示出其微观机制和物理图像。目前已利用半导体超晶格材料研制成许多新器件，它可以在原子尺度上对半导体的组分掺杂进行人工“设计”，从而可以研究一般半导体中根本不存在的物理现象，并将固态电子器件的应用推向一个新阶段。但目前对于其他类型的超晶格材料的制备尚需做进一步的努力。一些科学家预测，下一代的电子器件可能会被微结构器件替代，从而可能会带来一场电子工业的革命。微结构物理的研究还有许多新的物理现象有待于揭示。21世纪可能会硕果累累，它的前景不可低估。

再例如纳米材料，所谓纳米技术就是在10[-9]米（即十亿分之一米）水平上，研究应用

原子和分子现象及其结构信息的技术。纳米技术的发展使人们有可能在原子分子量级上对物质进行加工，制造出各种东西，使人类开始进入一个可以在纳米尺度范围，人为设计、加工和制造新材料、新器件的时代。纳米材料具有常规材料所不具备的反常特性，如它的硬度、强度，韧性和导电性等都非常高，被誉为“21世纪最有前途的材料”。美国一研究机构认为：任何经营材料的企业，如果现在还不采取措施研究纳米材料的开发，今后势必会处于竞争的劣势。纳米电子是纳米技术与电子学的交叉形成的一门新技术。它是以研究纳米级芯片、器件、超高密度信息存储为主要内容的一门新技术。例如，目前超高密度信息存储的最高存储密度为10[12]毕特／平方厘米，其信息储存量为常规光盘的10[6]倍。

下面再来介绍一下新型材料物理和材料化学的发展趋势。

材料物理是材料科学与工程里面不可或缺的重要组成部分。犹如支撑万丈高楼的基石，材料支撑着人类文明。很多人觉得新世纪是“信息技术”的世界，不过任何技术赖以实现的物质基础还是材料，这一重要地位在人类社会发展到任何阶段都无法改变，而且必将越来越重要。随着科学技术的发展，材料正朝着微型化、功能化、智能化的方向发展。现在颇为流行的纳米材料、环境材料、电子材料、信息材料，大部分都是材料的物理性能在各特殊领域的应用。比如纳米材料，可以说就是纳米尺度下的材料物理学。材料物理所研究的磁学及光学性质在信息材料领域有着巨大的应用空间，是现代半导体、微电子、光电子产业发展的理论及应用基础。因此，随着材料产业以及信息产业在新世纪的飞速发展，材料物理也必将迎来自己的辉煌。物理学中的力、热、光、声均有广泛应用，当然侧重点还与将来每个科研人员的研究方向有关。比如说：对于研究信息材料磁存储技术的，铁磁学是中心课程，但是力学、电学、热学多少也要有所涉及。原子物理、固体物理、晶体学、X光技术、电子显微分析等方面也是比较重要的。

当前材料化学的发展趋向主要是新型的无机化合物的合成和应用，以及新的研究领域的开辟和建立。因此21世纪理论与计算方法的运用将大大加强理论和实验更加紧密的结合。同时各学科间的深入发展和学科间的相互渗透，形成许多学科的新的研究领域。现代材料化学发展的明显趋势和特点是，从宏观到微观，从体相到表面，从静态到动态等。发展现代材料化学, 不断地推出新的合成反应和路线或改进和绿化现有的陈旧合成方法, 不断地创造与开发新的物种, 将为研究材料结构、性能(或功能) 与反应间的关系、揭示新规律与原理提供基础。例如中国科学院福建物质结构研究所洪茂椿,吴新涛等在纳米材料和无机聚合物方面的工作引起国内外同行的广泛重视。他们成功地合成纳米金属分子笼（nanometer-sized metallomolecular cage）,还成功的构筑了一个新型的具有纳米级孔洞的类分子筛[{Zn4(OH)2(bdc)3}.4(dmso)2H2O]n，其中孔洞的大小近一纳米。在金属纳米线和金属-有机纳米板的合成和结构的研究成果斐然。设计合成了一些金属纳米线，金属-非金属纳米线和金属有机纳米板。

综上，学好材料化学与材料物理意义重大。