材料科学视角下的晶体开发与应用
材料科学视角下的晶体开发与应用
材料科学的发展可以看作是人类文明进步的缩影。从古至今，新材料的开发与文明的发展息息相关。材料科学的出现，使得人们不再仅仅停留在"知其然"的阶段，而是能够深入理解材料的微观结构，从而开发出性能更卓越的新材料。
晶体的基本特性
1913年，布拉格父子教授通过X射线开启了对晶体研究的认知，使晶体这种固态材料走入大众视野。固态材料大致可分为晶体与非晶质（如玻璃）、金属、陶瓷、高分子材料等。其中，金属固态材料是本节探讨的重点。
金属是整整齐齐规律排列的三维结构，其立体格子称为结晶格子（crystal lattice），构成结晶格子的最小立体制称为晶胞（unit cell）。金属的结构主要分为体心立方（BCC）、面心立方（FCC）、六方最密堆积（HCP）三种。例如，钻石就是一种复杂的面心立方结构。
正常的金属材料通常由许多小晶体聚集而成，因此大多数金属都可归类为"多晶材料"（polycrystalline）。这些材料中的晶体通常被称为"晶粒"（grains），在实验研究中常常将晶粒染色，以判断其堆砌方向。
晶体缺陷
晶体内部并非完美无瑕，实际上常常会出现缺陷，影响其性能。晶体内部的缺陷大致可分为三种：点缺陷、线缺陷与面缺陷。
点缺陷：高溫使某一原子消失跑到晶體表面來增加亂度。另外還有如置換型原子（與晶體裡的某一原子置換，比如矽、鎳原子置換鐵原子）和插入型原子（直接插入晶體間隙裡，比如鋼鐵裡的碳原子）。
线缺陷：最典型的是差排（dislocation）现象，1956年由Peter B. Hirsch通过穿透式电子显微镜发现（TEM），这一发现对材料科学领域产生了深远影响。差排线属于晶体缺陷的一种，材料科学家一直在研究如何消除这种缺陷，这一过程中发现了更多不同的晶体排列模式，温度和时间是最重要的控制因素。
材料科学的应用实例
高熵合金之退火双晶(anneling twin)
退火双晶在扫描式电子显微镜下呈现板条形，虽然结构破碎，但处于低能量状态，因此缺陷被允许存在。高熵合金因其耐压性，广泛应用于抗弹板、国防工业、航天科技、极地重机、耐冲击的尖端物件等领域。
合金式析出强化(precipitation hardening of alloys)
合金式析出强化类似于糖水溶液的再结晶状态，可以使溶质析出的颗粒变得更细小、更精致。"界面析出强化"（Interphase-precipitation hardening）是将合金钢的原母晶相（γ相）的晶界变成子晶相（α相），同时在两者的界面上沉淀析出更细小的纳米碳化物晶粒。台湾知名自行车品牌捷安特就是以此方法找到了更轻更坚固的金属材料。这种方法制造的合金广泛应用于卡车大梁、汽车防撞钢梁、安全气囊零件等。
铝合金析出强化(Precipitation hardening of alloys)
铝合金相比其他金属合金更轻、更坚韧。在扫描式显微镜下看似是二维结构，但通过穿透式显微镜观察，发现其实是三维片状结构。制造铝合金的关键在于控制制造温度和配方，银元素是制造铝合金的关键材料，加入银元素可以使Ω相更加坚韧。
结语
材料科学对人类文明的发展至关重要，是推动社会进步不可或缺的研究领域。从古至今，人类在制作各类器具时，从依赖经验积累到深入理解材料本质，材料科学的发展记录了人类文明的演进历程。某些材料对整个人类文明的发展至关重要，即使是平凡的材料也可以创造出不平凡的价值。