理论研究可以成千上万倍地提高探索新材料的效率

—— 材料设计要重视运用理论研究成果 

    对话人物

    金展鹏是中国科学院院士，著名的材料科技专家。他主要从事相图热力学与相变动力学研究，发明了饮誉世界的“三元扩散偶—电子探针微区成分”相图测定法。曾任国际合金相图委员会委员、国际相图计算杂志副主编，现任国际《相图计算杂志》副主编、亚太材料科学院院士。

    理论与实际须相结合

    记者：7月26日本报以《金展鹏    用脖子“转动”材料世界的人》为题介绍了您的事迹，您以病残之躯在国际材料界独树一帜，在社会上引起强烈反响，这使我想起在中南大学采访时，听大家说起您的研究，给我的感觉是“墙内开花墙外香”，您的学生在国际上受到一些著名研究机构的追捧，而且还有著名的跨国公司找您合作。您能通俗地介绍一下您所从事的研究吗？

    金展鹏：我和我的学生从事的是相图研究。有人说，相图是材料设计的索骥图。人们在设计新材料时，面对迷宫似的材料世界，相图好比指路牌，它能告诉你，通往目的地有哪几条路可供选择，哪条路可能*好。也就是说，相图能从理论上解决如何用*快的速度设计出性能*好的材料，以及在工艺制备过程中工艺参数应如何控制。当然相图不可能料事如神，但可以成千上万倍地提高探索新材料的效率，却是不争的事实。

    记者：大家都承认新材料研究是科技和经济发展的基础，相图有如此大的作用，为什么会“墙内开花墙外香”呢？

    金展鹏：我想这一议论可能是指我国的相图研究国际合作较多，而和国内科研机构，尤其是和企业的合作很少。我国在相图的理论研究方面处于国际前沿，但应用却非常落后，理论与实际脱节。一个重要的原因也许是人们还没有看到理论研究成果对材料设计的实际效果吧。

    记者：这方面有没有一些成功的范例呢？

    金展鹏：近年，一些研究机构和企业在设计新材料时，特别重视运用理论研究成果，纷纷采用相图等多层次的综合设计方法，大大提高了设计新材料的效率。不久前，航空发动机巨头美国通用电气公司找我们合作，研究高温镍基合金的相变。高温镍基合金用在航空发动机上，过去通用公司对这一材料没有多少热力学数据，不知道选用什么成分，经过我们的实验测试和理论计算，这些问题都迎刃而解。我们关于氧化物陶瓷的研究成果已被美国麻省理工学院和美国宇航局成功用于有关材料的设计。另外，瑞典和日本的钢铁公司用相图解决生产工艺及成分优化问题，使他们的钢铁工业得到较快的发展。

    综合设计将成潮流

    记者：我注意到，您刚才不仅提到了相图，还提到综合设计方法，什么是综合设计方法呢？

    金展鹏：近年来，从宏观到微观的各个层次的材料科学理论正在蓬勃发展，材料结构学、热力学、动力学与形貌学的知识正在集成，但是人们不能等这些理论工作十分完善以后才进行材料设计，而应该在实践中及时进行综合，尽快进入实用阶段。例如美国有一个小组已设计出一系列的新合金，包括为美国宇航局设计用于火箭发动机燃料泵上的新合金。他们从材料所需的性能出发，确定材料应当具有的结构，而结构组合又取决于合金成分以及不同的制备过程中的工艺参数，因此人们可以通过各种虚拟的合金成分、不同制备方法(如熔铸、粉末冶金等)和相应的工艺参数等，在计算机上优化得到所需的合金，然后再进行典型的合金实验，从而大大地减少实验工作量。例如，他们在一个小实验坩埚中仅用了17磅的材料就得到了他们所需的符合设计要求的合金试样。

    记者：您能预测一下材料设计的发展趋势吗？

    金展鹏：材料设计的共同特点是指根据预定的性能来设计材料的成分结构和制备方法，没有统一的范例。但可以肯定，科研人员将更加重视运用理论研究成果，发展各具特色的知识集成和材料设计体系。预计5—10年内，在不同的研究课题组中将会围绕材料器件一体化，相继形成全过程的、多层次的、动态的、多元化的材料设计知识体系。这些体系虽然不是尽善尽美的，却是实用的。

    亟须破解两大难题

    记者：我国要赶上这一发展潮流，*迫切需要解决的问题是什么？

    金展鹏：我国的材料研究与国际先进水平相比，差距有二三十年，所以我国的材料研究应该双管齐下，即破译国际已有的新材料，同时开发新材料。因此，我认为我们迫切需要解决两大问题：一是知识集成。我们要根据国家利益和科学技术自身发展的需要，在学科交叉的领域进行创新，在创新的基础上及时地进行知识集成。二是人才培养。我国应该努力改善科研条件，采取自主培养和积极引进相结合的措施，通过联合攻关，把不同学科专业和背景的科学家组织在一起，在共同完成研究任务的同时培养出视野更开阔的年轻一代，使其成为新型的材料战略科学家。

    我还要强调的是，虽然材料科学不是一门纯理论学科，但是，它正在理论与实践相结合、科学与技术相交叉当中，以令人眼花缭乱的速度飞速发展着，所以科研人员一定要重视运用理论研究成果。只有如此，新材料设计才能收到事半功倍的效果。