Файл: Наука и технологии цингиуа.docx

материалы; радиационное повреждение

1. Начало

Англоязычная фраза материаловедение и инженерия (MSE) появилась в неизвестное время и в неизвестном месте в Соединенных Штатах Америки в начале 1950-х годов. Одно из предположений состоит в том, что он и концепция, которую он обозначает, возникли в результате продолжительных дискуссий о стратегии исследований между Гербертом Холломаном, известным менеджером по исследованиям в исследовательской лаборатории GE в Скенектади, и некоторыми из его старших коллег, таких как Джон Хоу. Другая причина заключается в том, что эта концепция была впервые разработана в академических кругах Америки, в частности, в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и в Северо-Западном университете. Во всяком случае, Даниэль Розенталь и Джек Френкель в этих двух университетах подготовили новаторские лекционные курсы, и Франкель опубликовал книгу в 1957 году под названием «Принципы свойств материалов», первую книгу с названием, посвященным материалам. (Так как

Поступила: 26.10.2001

Затем появились многие десятки текстов под диким разнообразием материаловедческих названий). Наконец, в конце 1958 года факультет металлургии Северо-Западного университета в Эванстоне, недалеко от Чикаго, проголосовал за изменение названия своей кафедры на аспирантуру материаловедения; В нужное время кафедра приняла и студентов, и шлюзы перемен были открыты. К 1985 году в американских университетах было в три раза больше курсов MSE, чем на факультетах остаточной металлургии.

В этом кратком обзоре я не предлагаю цитировать источники для своих утверждений. Обширные источники можно найти в моей недавно опубликованной книге «Пришествие материаловедения» (Пергамон, Оксфорд, 2001 г.), и я отсылаю читателей, которые хотят получить больше информации, к этой книге.

Герберт Холломан был металлургом, нанятым GE для формирования новой исследовательской группы в области металлургии. С самого начала он включил керамику в

2 Наука и техника Цинхуа, декабрь 2002 г., 7 (1): 1 — 5

той же группы, и из-за этой связи были проведены некоторые экстраординарные исследования природы спекания порошковых компактов. Это, в свою очередь, привело к крупному, непредвиденному, промышленному развитию. Позже керамисты начали углубленно изучать электрокерамику. Многие исследователи с большими способностями присоединились к этой группе, Дэвид Тернбулл и Джон Кан были примерами и распространили славу GE по всему миру. В то же время Bell Laboratories также постепенно интегрировала различные составляющие навыки материаловедения в смешанные группы, и другие лаборатории последовали их примеру позже.

Помимо разработок в университетских учебных отделах и нескольких крупных промышленных лабораториях, третьим изменением, которое прочно утвердило MSE, было введение междисциплинарных лабораторий исследования материалов в ряде американских университетов. Это возникло из-за беспокойства, которое испытывал бывший венгерский математик, ученый-компьютерщик и эрудит Джон фон Нейман. Когда в 1954 году он стал комиссаром (американской) Комиссии по атомной энергии, ему неоднократно говорили, что ряд разработок в его зоне ответственности сдерживается нехваткой профессионально подготовленных материаловедов. Поэтому, консультируясь с великим физиком Фредериком Зейтцем, он задумал идею создания зданий в отдельных университетских городках с офисами и лабораториями, где металлурги, физики, химики, инженеры-химики, ученые-полимерщики, инженеры-электрики, минералоги и (действительно) математики будут работать вместе и взаимодействовать на ежедневной основе, а также обучать новых практиков искусству исследования. (Ключевая идея заключалась в том, что участвующие профессора сохранили свои офисы кафедр, а также свои новые офисы в MIR L.) Вскоре после этого фон Нейман заболел и умер. Его творческий проект чуть не умер вместе с ним, но он был возрожден психологическим шоком от российского спутника, запущенного в 1957 году, и, наконец, в 1960 году, перед лицом бесконечных препятствий, первые три МДУ были созданы при поддержке Комиссии по атомной энергии, ВВС и других источников финансирования. Именно создание этих МДУ привело физиков твердого тела в материаловедение в больших масштабах. В последующие годы было создано все большее число MRL, и в соответствии с новыми административными и финансовыми механизмами они по-прежнему сильны, слава американской инициативы и организации. На мой взгляд, МДУ были, безусловно, наиболее эффективным способом укрепления вновь задуманной дисциплины.

О том, как концепции металлургии вписываются в этот массив новых институтов и концепций, будет рассказано в следующем разделе.

2 Роль металлургии в развитии материаловедения и инженерии

Многие убеждены, что истинным интеллектуальным прародителем МСЭ был физик твердого тела. Чтобы опровергнуть это впечатление, следует помнить, что до самой Второй мировой войны едва ли существовал такой предмет, как физика твердого тела. Герои довоенной физики, такие люди, как Вольфганг Паули, почти с презрением относились к идее применения физики к твердому телу. В 1930 году, когда Алан Уилсон в Кембридже выдвинул первую формальную квантовую теорию полупроводниковой функции, полупроводники считались бесполезными, «грязными материалами», и Уилсона предупреждали, что, занимаясь этими прискорбными веществами, он рискует профессиональным самоубийством. Не все с этим согласились, и потрясающие книги Мотта и Джонса и Юма-Ротери, а также статьи Брэгга/Уильямса по статистической механике упорядоченных сплавов в 1930-х годах помогли породить настоящую физику твердого тела, а в 1940 году великий учебник Зейтца по физике твердого тела стал переломным моментом. Вскоре после войны Зейтц выпустил две классические статьи по интерпретации цветовых центров в ионных кристаллах (работа, которая со временем привела к созданию суперионных проводников, современных аккумуляторных батарей и топливных элементов), и примерно в то же время были опубликованы первые количественные анализы динамических свойств дислокаций такими физиками, как Набарро и Мотт.

Роберт В. Кан: металлургия, отец материаловедения 3

Все это подготовило почву для того, что я назвал в своей книге «количественной революцией» в металлургии. Примерно до 1950 года, за исключением Юма-Ротери, металлурги были склонны махать руками и объяснять явления в количественных терминах, и даже изобретатель физической металлургии Розенхайм в первые годы прошлого века имел привычку предлагать качественные теории, которые не могли быть проверены экспериментально. Ряд металлургов, в первую очередь Коттрелл из Бирмингемского университета, в 1949-1950 годах создали подробные, строго количественные теории дислокационного поведения, а также равновесия сплавов, которые можно было точно проверить с помощью соответствующим образом спланированных экспериментов. Это важнейшее событие, произошедшее в то время, когда физика твердого тела еще находилась на стадии своего рождения, навсегда изменило физическую металлургию как науку. За этим последовал запуск в 1953 году Acta Metallurgical, который сосредоточил внимание исследователей на новом количественном подходе к металлургии. Сирил Смит в своем предисловии к первому номеру нового журнала писал: «Теперь металлургия слишком широка, чтобы быть охваченной одним человеческим разумом: необходимо заручиться интересом чистых ученых, под каким бы именем они ни назывались, и увеличить число металлургов, чьи связи с производственными и управленческими проблемами частично приносятся в жертву, чтобы они могли больше интересоваться физикой и физической химией в качестве основы для полезный металлургический аванс. Даже сейчас большую часть литературы металлурга-исследователя можно найти в профессиональных журналах физика и химика, и он больше не может полагаться только на металлургические журналы. Он продолжал утверждать, что, как следствие, срочно необходим новый металлургический журнал, склоняющийся к чистым физическим наукам. Создание Acta Metallurgical в 1953 году было, на мой взгляд, единственным ключевым событием в расчистке пути к появлению материаловедения. Я до сих пор помню интеллектуальное волнение, вызванное первыми номерами этого журнала, и я стал его активным автором и оставался таковым в течение почти 50 лет.

Примерно в то же время, когда произошла количественная революция и был запущен Acta Metallurgical, происходили два других ключевых события — гражданская ядерная энергетика и связанные с ней исследования радиационного повреждения (которые с самого начала были совместным предприятием физиков, металлургов и керамистов), а также изобретение и быстрое развитие транзистора с сопутствующими металлургическими разработками, такими как рост монокристаллов и зонное рафинирование. Эти инновации впервые способствовали подлинному взаимному уважению между физиками и металлургами, и последние все больше вовлекались в коллективные усилия по совершенствованию как полупроводниковых устройств (включая, в конечном итоге, интегральные схемы), так и ядерного топлива и связанных с ним материалов.

С начала 1960-х годов, особенно в Массачусетском технологическом институте под влиянием таких людей, как Дэвид Кингери (а также Кобл из GE), начался научный подход к керамике; Это было существенное изменение, так как до этого времени в этой области было еще меньше правильной количественной науки, чем в металлургии. Чуть позже, опять же, настоящая наука об армированных волокном композитных материалах началась в ряде мест, прежде всего под влиянием металлургов, таких как Энтони Келли. Большая трудность для новых материаловедов заключалась в том, чтобы интегрировать физику, химию и переработку полимеров с этими другими темами. Во-первых, идея (которая в течение многих лет приводила к интенсивно враждебным спорам в химическом сообществе) о том, что вещество может иметь переменную молекулярную массу, была неприемлема для многих, а такие понятия, как полукристалличность, молекулы, выходящие за пределы одной кристаллической элементарной ячейки, резиноподобная (энтропийная) упругость и трещиноватость при механическом воздействии, были вне сферы действия большинства металлургов. Сегодня, после интенсивных усилий, физика и инженерия полимеров эффективно преподаются на многих факультетах материаловедения, но полимерная (синтетическая) химия продолжалась и, я думаю, будет продолжаться по совершенно другому пути. Во всяком случае, полимеры стали частью материаловедения спустя много лет после того, как появилась новая дисциплина.

Химия твердого тела и ее недавнее производное, химия материалов, была послевоенным развитием, которое объединило усилия с материаловедением гораздо позже, чем физика твердого тела. Несколько замечательных ученых, в том числе Карл Вагнер, установили эту связь гораздо раньше. Несколько ранних минералогов и геохимиков, Мориц Гольдшмидт в Норвегии и Фриц Лавес в Швейцарии, в частности, также внесли большой вклад в концепции материаловедения. В Америке, особенно с конца 1980-х годов, быстро растущий акцент на улучшенной обработке материалов привлек ряд экспертов-химиков (а также инженеров-химиков). Таким образом, такие понятия, как самосборка наноразмерных частиц и использование сверхкритических растворителей в синтезе, были введены в корпус материаловедения. Таким образом, как раз в то время, когда добывающая металлургия постепенно вытеснялась в мир инженеров-химиков, химики неуклонно совершенствовали синтез и обработку передовых материалов многих видов.

Если бы меня спросили, какие концепции физической металлургии сыграли ключевую роль в появлении материаловедения, я бы выделил следующие как наиболее важные: определение и использование фазовых диаграмм, изучение фазовых превращений, управление (в отличие от презрения) примесями и микроэлементами и, прежде всего, изучение, понимание, измерение и контроль микроструктуры. Это были концепции, которые лежат в основе утверждения металлургии о том, что она функционировала как отец современного материаловедения.

3. 
   

   4 Наука и техника Цинхуа, декабрь 2002 г., 7 (1): 1-5

   Является ли материаловедение подходящей дисциплиной?
   

Этот вопрос часто поднимается, особенно среди главных действующих лиц самых последних мероприятий в этой области, таких как эксперты в области биомиметики и медицинских протезов. Иногда высказывается предположение, что материаловедение стало настолько широким в своих интересах, что оно перестало иметь какую-либо четкую идентичность. Рассматривая такую критику, полезно взглянуть на историю других, более старых дисциплин на их новых стадиях. В своей книге я посвящаю этому анализу целую длинную главу, уделяя особое внимание физической химии. Мне стало ясно, что есть два основных семейства новых дисциплин: те, которые (например, физическая химия), которые возникли в результате отделения от более старой дисциплины (в данном случае органической химии), и те, которые, как геология и материаловедение, были сформированы постепенно путем интеграции различных видов деятельности. (В случае геологии такие темы, как стратиграфия, петрология, палеонтология, орография (включая тектонику плит), минералогия и геоморфология, объединились, чтобы создать то, что иногда просто называют «наукой о Земле».) «Расколотые дисциплины» открыты для враждебной критики за то, что они разрушили с трудом завоеванное единство, интегрированные дисциплины против возражения, что они настолько широки, что состоят из нечетких обобщений. Никто так не говорит о геологии сейчас, и в нужное время никто не скажет этого о материаловедении.

Этот ответ критикам может показаться кому-то слабым. Тем не менее, существует идентифицируемая наука о материалах, включающая ключевые понятия, перечисленные в конце предыдущего раздела, и хорошо отточенную концепцию связи всех видов свойств с составом (включая идентичность и расположение микроэлементов), фазовым составом и микроструктурой. Эта центральная проблема, в свою очередь, связана с необычайной эволюцией методов определения характеристик материалов, включая то, что я считаю тремя ключевыми изобретениями в прошлом веке: просвечивающую электронную микроскопию, электронный микрозондовый анализ и дифференциальную сканирующую калориметрию. Эволюция материаловедения и характеристик шли рука об руку. Несколько лабораторий достаточно велики и разнообразны, чтобы оправдать создание центральной группы, посвященной всем методам характеризации: одна из них была создана в GE, где, по-видимому, возник термин «характеристика».

3. 
   Следует ли по-прежнему рассматривать металлургию как составную часть материаловедения и машиностроения?
   

На регулярной основе публикуются многочисленные журналы, посвященные MSE, как те, которые публикуют оригинальные исследования, так и те, которые сосредоточены на обзорах (это особенно важно). Мне кажется, что они делятся на три категории: настоящие журналы широкого спектра, охватывающие всю MSE; журналы, которые начинались как металлургические, стремились расширить сферу своей деятельности, но пока не добились заметного успеха; и многие специализированные журналы, посвященные полимерам, композитам, полупроводникам и, конечно же, металлам. В мире журналов существует тенденция подразделять широкую область материалов на металлы и все другие материалы. В этом нет ничего удивительного: как родитель, которому за семьдесят, я понимаю, что дети, какими бы любящими они ни были, подчеркивают важность следования своему собственному, другому пути. Но этот раскол логически не является необходимым, и некоторые журналы (такие как Journal of Materials Science, который я основал в 1966 году, хотя я уже давно отказался от редакционного контроля, и Journal of Materials Research, управляемый Обществом исследования материалов в Америке) ухитрились сохранить реальную широту охвата. 5 Будущее исследований в области

Материалы

Роберт В. Кан: металлургия, отец материаловедения 5

Введение в химический факультет Университета Цинхуа

Эта короткая статья об истории, а не о будущем. Тем не менее, в заключение несколько предложений о будущем кажутся необходимыми. Многие в нашей профессии огорчены трудностями привлечения достаточного количества молодых людей, чтобы стать материаловедами, и встревожены медленным, но неуклонным сокращением академических отделов, посвященных MSE, и промышленных исследовательских лабораторий, прикрепленных ко многим видам компаний, занимающихся производством или эксплуатацией материалов. То, что Джон Зиман называет «постакадемической наукой», правит бал, а долгосрочные (фундаментальные, голубые небеса, движимые любопытством) исследования были вытеснены из промышленных лабораторий. Компании ожидают, что правительство будет финансировать такие исследования, и правительства все больше возмущаются этим ожиданием. В ближайшее время следует ожидать какого-то организационного взрыва. И все же я часто думаю, что мрак и обреченность преувеличены. Когда на сцене появляется что-то новое и захватывающее, десятки или даже сотни небольших команд бросают то, что они делают, и энергично стремятся к новым славным высокотемпературным сверхпроводникам, сканирующей туннельной микроскопии и манипулированию отдельными атомами, синтезу алмазов низкого давления, сверхтвердым материалам из нитрида углерода. Вокруг все еще есть много групп — и они даже не только в университетах, — у которых есть реальная свобода и ресурсы, чтобы наброситься на то, что захватывает воображение их лидеров. До тех пор, пока это возможно, нам не нужно слишком сильно беспокоиться.

Химический факультет Университета Цинхуа был основан в 1926 году и стал одним из лучших химических факультетов с самым сильным преподавательским составом и высочайшим академическим уровнем, когда был основан новый Китай. Однако его история была прервана в 1952 году в результате реорганизации университетов и колледжей, и большинство инструментов были перенесены в Пекинский университет. С тех пор до 1985 года оставалась только учебная группа для публичных курсов. Тем не менее, чтобы превратить Университет Цинхуа во всеобъемлющий университет мирового класса и развить академические дисциплины, химический факультет Университета Цинхуа был восстановлен

Ноябрь 1985 г. на базе учебно-методического коллектива и специальности «Физическая химия» - дисциплины в науке, основанной в 1978 году. За последние 16 лет кафедра химии добилась больших успехов в построении учебных дисциплин. Кафедра стала важной базой для научных исследований и подготовки студентов по дисциплине химии в Китае.

Химический факультет имеет сильную команду сотрудников, в том числе тридцать два профессора, которая может похвастаться академиком Китайской академии наук, академиком Китайской инженерной академии и сорока доцентами. Все они имеют богатый опыт преподавания и исследований и являются ключевыми фигурами в разработке академических дисциплин и подготовке студентов с высоким качеством и творческими способностями. Ряд молодых преподавателей, смело вносящих инновации, составляют растущую новую силу для развития кафедры, среди которых более 75% имеют докторскую степень.

В настоящее время кафедра химии состоит из 3 институтов: неорганической химии, органической химии и физической химии с лабораторией органической оптоэлектроники. Он обладает рядом передовых лабораторий, в том числе Государственной ключевой лабораторией химии и технологии КИ (филиал Цинхуа), Государственной ключевой лабораторией трибологии (филиал), Ключевой лабораторией биоорганической химии фосфора Министерства образования и Аналитическим центром Университета Цинхуа.

Направления исследований на кафедре химии охватывают различные области современной химии. Особое внимание уделяется новым точкам роста скрещиваемых дисциплин. Функциональные материалы, такие как фотоэлектронные материалы, наноматериалы, биомедицинские материалы и химические проблемы в науках о жизни, стали горячими точками развития дисциплины на кафедре. Новый взгляд, описывающий действие фосфорилированной аминокислоты на происхождение жизни, предложенный профессором Чжао Юэнем, был оценен Достижениями науки Американской академии наук как творческая работа по происхождению жизни.

В настоящее время кафедра химии уполномочена присуждать докторские и магистерские степени по химии и имеет постдокторскую станцию. Кафедра нацелена на подготовку студентов бакалавриата к всестороннему квалифицированному персоналу с солидным химическим образованием. Кафедра также готовит аспирантов для специалистов, занимающихся творческими фундаментальными и прикладными исследованиями в области химии и смежных областях, таких как химическая инженерия, биология, медицина, материаловедение, окружающая среда, энергетика и информация. В последние годы качество подготовки студентов, особенно на уровне выпускников, повысилось вместе с оптимизацией преподавательского состава и помещений, а также повышением уровня исследований.