材料如何演变:一个有「缺陷」的故事

文章来源:香港城市大学时间:2020-04-23 16:21:42

香港城市大学(城大)材料科学及工程学系系主任兼讲座教授David Srolovitz教授于3月20日主持「校长讲座系列:学术荟萃」。他在这场精彩演讲中指出,材料科学是善用材料的艺术,而巧用晶体缺陷是关键。

出席讲座者包括城大及其他院校的学者;因应新型冠状病毒疫情,讲座亦提供网上直播。在问答环节,数名来自不同国家和地区的与会者向讲者实时提问。

Srolovitz教授兼任机械工程学系和物理学系讲座教授,以及香港高等研究院资深院士。他说:「我们认识到从原子尺度到连续尺度的一类微观结构演变,这亦令材料研究在科学层面上饶富趣味。」

Srolovitz教授在演讲中说,很多材料性能取决于其比原子及电子更大的结构规模(即微观结构),控制微观结构的演变是材料科学面对的一大困难。

他提出了数个要点,其一为「晶体缺陷」,是指晶体的周期性排序受干扰,而非指物体断裂。他说:「缺陷是所有材料的固有属性;『微观结构』指缺陷的空间排列。材料科学家可操控晶体缺陷如何形成、移动和排列。」

他又指,材料科学家旨在认识事物运作的基本机制(缺陷移动/微观结构形成);材料工程师的角色则是将这种认识转化成制作材料的方式,以供应用。他说:「材料科学家亦可控制材料组成,这是另一个关键。」

Srolovitz教授指出,在应用层面,材料对多种行业都很重要,因为对所有工程系统而言,材料既可令系统运作,亦能造成限制。

以航空航天工程的应用为例,材料能在极高温度下保持高强度,亦能制成较佳的涡轮叶片供喷射引擎使用,可借此提高引擎效率、降低燃油消耗、减少飞行时须携带的燃油,及减轻结构重量,提高飞行效率。

对于微电子学,材料科学帮助提升其效率(令其运作得更快)及可令其基本组件更紧密结合,亦即愈来愈小的芯片产生更多热。能否提升效率,取决于我们制造和运用愈趋细小(运作愈趋快速)的微电子的能力;而这取决于如何制造接近原子规模特征的设备,及如何让芯片散热令其不熔化。

他称:「这些都是材料学要解决的问题,考验我们控制缺陷的能力。」