材料是人類生產(chǎn)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，新材料的使用及性能的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為各個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的突破口。與傳統(tǒng)材料相比，其優(yōu)異的性能和特定的功能是發(fā)展信息、航天、能源等高新科技的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在各個(gè)方面都較好地推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展。基于此，本文以“拓?fù)湎嘧儭睘槔郎\談了物理學(xué)對(duì)于新材料發(fā)展的影響，為科技的創(chuàng)新和進(jìn)步提出了相應(yīng)的參考依據(jù)。

眾所周知，人類文明的進(jìn)步、社會(huì)科技的發(fā)展與材料的發(fā)展有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，材料是我們生產(chǎn)生活的一部分，是發(fā)展科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，材料的品質(zhì)、產(chǎn)量、種類直接影響了一個(gè)國(guó)家在科技領(lǐng)域的發(fā)展。加快新材料技術(shù)突破與應(yīng)用對(duì)我國(guó)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和國(guó)防建設(shè)都有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。工業(yè)上，要實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)和構(gòu)想，需要性能優(yōu)異、功能穩(wěn)定的新材料作為基礎(chǔ)和先導(dǎo)，在此基礎(chǔ)上才能把設(shè)計(jì)和構(gòu)想變成現(xiàn)實(shí)。

物理學(xué)的基礎(chǔ)是研究材料的性能、結(jié)構(gòu)和機(jī)理，是材料科學(xué)發(fā)展的主動(dòng)力。新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、物理理論的指導(dǎo)有密切的關(guān)系。

比如，光導(dǎo)纖維材料就是科學(xué)家偶然從物理現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)的，光導(dǎo)纖維在現(xiàn)代信息中被廣泛用作傳輸材料，利用其制成的激光纖維傳感器，比傳統(tǒng)材料耐高溫、壽命長(zhǎng)、成本低、抗電磁干擾能力強(qiáng)，被廣泛用在電力系統(tǒng)和石油、化工或大型電廠系統(tǒng)內(nèi)。新材料產(chǎn)業(yè)是未來(lái)全球科技發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，在科技創(chuàng)新方面的研究和應(yīng)用，必將有著十分廣闊的發(fā)展前景。

諾貝爾獎(jiǎng)“拓?fù)湎嘧儭钡暮?jiǎn)介

2016年10月4日，諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)宣布獲得2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家分別是大衛(wèi)蘇奧雷斯、邁克爾科斯特利茲以及鄧肯霍爾丹，以獎(jiǎng)勵(lì)他們物理理論上又一重大發(fā)現(xiàn)——拓?fù)湎嘧兗巴負(fù)湎嗬碚摚@一重大理論的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了材料科學(xué)的發(fā)展與創(chuàng)新。

三位科學(xué)家的研究打開(kāi)了一個(gè)未知的世界，證明了物質(zhì)其實(shí)可以以一種奇怪的狀態(tài)存在，他們利用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的研究方法來(lái)研究特殊物質(zhì)的狀態(tài)，比如磁膜、超導(dǎo)和超流體等，他們的研究成果給未來(lái)材料學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了革命性的影響。

比如拓?fù)浣^緣體，它的特點(diǎn)在于，拓?fù)浣^緣體的體內(nèi)與人們認(rèn)識(shí)的絕緣體一樣，是不能導(dǎo)電的，但是在它的表面卻存在著導(dǎo)電的邊緣，這樣的邊緣是穩(wěn)定的，且與普通的自旋導(dǎo)電電子的運(yùn)行方式相反，所以它是通過(guò)電子自旋來(lái)傳遞信息，而不是以傳統(tǒng)的通過(guò)電荷的方式進(jìn)行傳遞，這樣就減少了能量的流失，它的發(fā)現(xiàn)對(duì)未來(lái)電子計(jì)算機(jī)等產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。

新材料的簡(jiǎn)介

新材料的概念與特點(diǎn)

1）概念：新材料是指與傳統(tǒng)材料相比，性能更加優(yōu)異、功能性更強(qiáng)的一類新型材料。新材料作為科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)，廣泛地應(yīng)用在人類生產(chǎn)生活領(lǐng)域，新材料技術(shù)稱為21世紀(jì)三大關(guān)鍵技術(shù)之一?？傮w來(lái)說(shuō)，未來(lái)新材料產(chǎn)業(yè)將向更智能、更環(huán)保的方向發(fā)展，為發(fā)展高新科技、增強(qiáng)國(guó)防建設(shè)、改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

2）特點(diǎn)：一是覆蓋范圍極廣，新材料科學(xué)與能源領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、信息領(lǐng)域、交通領(lǐng)域和工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域等聯(lián)系越來(lái)越緊密，新材料科學(xué)與這些領(lǐng)域的交叉技術(shù)對(duì)我國(guó)的新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。

二是與人類發(fā)展密不可分，新材料是人類發(fā)展的基礎(chǔ)，并為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供了必不可少的支持，從而最大程度地推進(jìn)了人類社會(huì)的發(fā)展，未來(lái)在新工藝和新技術(shù)的影響下，新材料對(duì)人類現(xiàn)代生活將帶來(lái)更大的影響。

三是發(fā)展方向向智能化和多功能方向轉(zhuǎn)變，21世紀(jì)，新材料技術(shù)將在人工智能、環(huán)境保護(hù)以及自動(dòng)化等領(lǐng)域有更大的突破，這些產(chǎn)品會(huì)加快我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)和生物科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)新材料的開(kāi)發(fā)與使用關(guān)系更加緊密，增加了材料的性能，減少了資源的浪費(fèi)。

發(fā)展新材料的重要性

進(jìn)入21世紀(jì)，新材料在國(guó)內(nèi)的影響急劇擴(kuò)大，已經(jīng)進(jìn)入前所未有的發(fā)展階段。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛增長(zhǎng)，對(duì)新材料的種類和數(shù)量的要求都在急劇增加，為了提高我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平和改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，大力發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)勢(shì)在必行。

1）新材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。

每一項(xiàng)新技術(shù)的誕生都是以新材料科學(xué)為基礎(chǔ)的，比如我國(guó)在現(xiàn)代電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和成就，依賴于新半導(dǎo)體材料技術(shù)的突破，新型電子信息材料的開(kāi)發(fā)與使用大力促進(jìn)了我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使其成為我國(guó)的支柱性產(chǎn)業(yè)。我國(guó)對(duì)激光和光導(dǎo)纖維材料的開(kāi)發(fā)與使用，把人類帶入了光通信時(shí)代，與傳統(tǒng)材料相比，光材料具有傳輸效率高、能耗率低、無(wú)信號(hào)干擾的特點(diǎn)，為我國(guó)的手機(jī)、電腦產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了突破性的進(jìn)展。所以，由新材料帶來(lái)的影響將有利地推動(dòng)我國(guó)高新科學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。

2）新材料是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的支柱。材料科學(xué)是人類生活的基礎(chǔ)，與人類的工作、通信等其他活動(dòng)息息相關(guān)，并隨著時(shí)代發(fā)展，材料科學(xué)已經(jīng)深入到我們生活的各個(gè)角落，成為高薪技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心和基礎(chǔ)。新材料科學(xué)的發(fā)展體現(xiàn)了我國(guó)工業(yè)水平和綜合國(guó)力，推動(dòng)了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

3）新材料是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的主動(dòng)力?？沙掷m(xù)發(fā)展的前提是科學(xué)技術(shù)的成熟與深度應(yīng)用，只有這樣人類才能在不破壞生態(tài)環(huán)境的前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，而新材料的發(fā)展正好填補(bǔ)了這一要求。一方面國(guó)家要在材料科學(xué)這一領(lǐng)域加大投入，組織好我國(guó)現(xiàn)有的材料科學(xué)工作者和可用研究力量，培養(yǎng)出一支從事新材料的研究與開(kāi)發(fā)的有力隊(duì)伍。另一方面，我們要以現(xiàn)有的科學(xué)水平為基礎(chǔ)，加大力度開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)行重點(diǎn)領(lǐng)域重點(diǎn)突破，這樣我國(guó)的材料科學(xué)領(lǐng)域才能站在世界的前沿，更好的為社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展添入新鮮活力。

物理學(xué)對(duì)于新材料發(fā)展的影響：以“拓?fù)湎嘧儭睘榍腥朦c(diǎn)

物理學(xué)與材料科學(xué)有著密切的聯(lián)系，物理學(xué)是一門基礎(chǔ)科學(xué)，可以讓人類更好地認(rèn)識(shí)自然、了解世界。物理學(xué)為各個(gè)時(shí)代材料科學(xué)的發(fā)展提供了持續(xù)的動(dòng)力，新材料技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用給人類的生活帶來(lái)了翻天覆地的變化。物理學(xué)對(duì)材料科學(xué)的發(fā)展有著相應(yīng)的先導(dǎo)作用，為了攻克某個(gè)領(lǐng)域的難題或是解釋某個(gè)謎團(tuán)，科學(xué)家需要發(fā)明新的材料或者提出相應(yīng)的理論，從而實(shí)現(xiàn)材料的創(chuàng)新。物理學(xué)的發(fā)展推動(dòng)力材料科學(xué)的發(fā)展，同時(shí)，新材料的產(chǎn)生也為物理學(xué)提供了先進(jìn)的設(shè)備和手段，他們共同改善著人類的社會(huì)，使人類社會(huì)不斷發(fā)展進(jìn)步。endprint

物理學(xué)推動(dòng)了新材料在汽車工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著時(shí)代的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，物理學(xué)已經(jīng)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，可以說(shuō)我們的衣食住行等方方面面都與物理學(xué)緊密聯(lián)系在一起。物理學(xué)中有關(guān)拓?fù)湎嘧儗W(xué)原理的基礎(chǔ)性研究，在為物理學(xué)帶來(lái)深遠(yuǎn)影響的同時(shí)，也為一系列新材料產(chǎn)業(yè)的研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。如拓?fù)洳牧涎芯康臒狳c(diǎn)之——輕量化新材料，就是材料創(chuàng)新的一個(gè)典型例子。隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，材料輕量化已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車生產(chǎn)領(lǐng)域，汽車輕量化的改造使之重量減輕的同時(shí)擁有更好的操作性，同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率能產(chǎn)生更高的速度，并且剎車的制動(dòng)距離更短。汽車輕量化重要性在于其保持了汽車原來(lái)的性能不變，并在此基礎(chǔ)上減輕了汽車自身的重量，加強(qiáng)汽車的抗震、抗撞等性能，并且降低汽車耗能量，減輕環(huán)境污染。通過(guò)汽車結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，使用新材料——球墨鑄鐵替?zhèn)鹘y(tǒng)車身材料，新材料球墨鑄鐵拉伸強(qiáng)度可達(dá)500MPa，自身韌性高，可用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)車輛底盤材料或者轉(zhuǎn)向節(jié)等安保零件。蠕墨鑄鐵應(yīng)用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的諸如氣缸體、排氣歧管以及氣缸蓋等部件上的最大優(yōu)點(diǎn)在于，與傳統(tǒng)材料相比自身重量減少20%，而發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)度則提高15%左右。

物理學(xué)推動(dòng)了新材料在電子信息領(lǐng)域的應(yīng)用

以“拓?fù)湎嘧儭崩碚摓榛A(chǔ)開(kāi)發(fā)的新材料石墨烯，是一種有碳原子構(gòu)成了蜂窩狀平面薄膜，具有強(qiáng)度高、導(dǎo)熱、導(dǎo)光、導(dǎo)電等的光學(xué)特性，使新材料在電子信息領(lǐng)域得到了長(zhǎng)足發(fā)展。2010年，IBM公司用石墨烯材料制成的晶體管工作頻率可高達(dá)100GHz，石墨烯作為新材料被用于晶體管制造，具有高度穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)，并電子穿過(guò)石墨烯材料幾乎沒(méi)有阻力，過(guò)程中幾乎沒(méi)有熱量產(chǎn)生，由石墨烯晶體管制成的電子產(chǎn)品運(yùn)行速度是傳統(tǒng)材料的2—3倍，利用該材料制成的計(jì)算機(jī)，其計(jì)算速度達(dá)到了太赫茲級(jí)別，是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的1 000倍，所以石墨烯作為新材料，未來(lái)前途一片光明。

物理學(xué)推動(dòng)了新材料在電力方面的應(yīng)用

以“拓?fù)湎嘧儭睘榛A(chǔ)研究出來(lái)的新材料拓?fù)浣^緣體，它的獨(dú)特性質(zhì)在于拓?fù)浣^緣體內(nèi)部是絕緣不通電的，但是其表面以及邊界處于導(dǎo)電邊緣添態(tài)，而且這種狀態(tài)是穩(wěn)定的，并且其中不同的導(dǎo)電電子的運(yùn)動(dòng)方向是相反的。所以與傳統(tǒng)材料相比，它可以利用電子自旋的屬性來(lái)傳遞信息。利用拓?fù)浣^緣體材料在工作中不會(huì)產(chǎn)生熱量的原理，所制造出來(lái)的芯片，應(yīng)用在手機(jī)、電腦等電子設(shè)備上，可以解決電子設(shè)備在充電或者長(zhǎng)時(shí)間使用情況下發(fā)燙的問(wèn)題，所以進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，就是不會(huì)損失能量。并且能有效解決設(shè)備、器件在規(guī)定溫度范圍內(nèi)正常使用問(wèn)題，不需采用冷卻、加熱或者恒溫裝置，也能有效地解決手機(jī)因發(fā)熱而爆炸等問(wèn)題。此外，拓?fù)洳牧显陔娏Ψ矫嬉灿泻艽蟮陌l(fā)展性，發(fā)電廠在輸出電力的過(guò)程中，初始電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于220V，但是在運(yùn)送過(guò)程中由于產(chǎn)生熱量，損失了很大一部分電量，假如在未來(lái)，將電線改造升級(jí)，用拓?fù)浣^緣體材料制造電線，將能在很大程度上降低電量在運(yùn)送過(guò)程中的損耗，從而避免電力的浪費(fèi)。

物理學(xué)推動(dòng)了新材料在量子計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著拓?fù)鋵W(xué)研究的深入，拓?fù)涑瑢?dǎo)體也出現(xiàn)在人們的視野里。拓?fù)涑瑢?dǎo)體在鐵基高溫超導(dǎo)材料的基礎(chǔ)上研發(fā)出的一種材料，該材料處于一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)。拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)是物質(zhì)的一種新的狀態(tài)，與傳統(tǒng)超導(dǎo)材料不同，拓?fù)涑瑢?dǎo)材料同時(shí)擁有超導(dǎo)材料和拓?fù)洳牧系奶匦裕鋬?nèi)部是超導(dǎo)態(tài)，而邊界或者是表面會(huì)存在厚度約 1納米的無(wú)能隙金屬態(tài)。利用拓?fù)涑瑢?dǎo)材料的這種特性，制造的量子計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度可比傳統(tǒng)量子計(jì)算機(jī)高出許多倍。并且拓?fù)涑瑢?dǎo)材料能夠處理傳統(tǒng)量子技術(shù)所面臨的退相干等復(fù)雜問(wèn)題，延長(zhǎng)其存活的時(shí)間，所以拓?fù)涑瑢?dǎo)材料對(duì)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要性不言而喻。

結(jié)論

綜上所述，新材料作為現(xiàn)代高科技的基礎(chǔ)，帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，是人類發(fā)展進(jìn)步的標(biāo)志之一，任何的高科技技術(shù)都離不開(kāi)材料的設(shè)計(jì)和制造，新材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用支撐著社會(huì)文明的發(fā)展和科技的進(jìn)步。而新材料技術(shù)的進(jìn)步得益于以拓?fù)湎嘧優(yōu)榇淼奈锢韺W(xué)的發(fā)展和深度應(yīng)用。筆者相信，隨著拓?fù)湎嘧兊任锢韺W(xué)理論的不斷被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，新材料技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟，必將推動(dòng)新常態(tài)背景下經(jīng)濟(jì)社會(huì)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)。

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（作者簡(jiǎn)介：楊珖，山西大學(xué)附屬中學(xué)。）endprint