材料如何演變:一個有「缺陷」的故事

鄭智友

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Srolovitz教授以「材料如何演變:一個有『缺陷』的故事」為題發表演講。
Srolovitz教授以「材料如何演變:一個有『缺陷』的故事」為題發表演講。

 

香港城市大學(城大)材料科學及工程學系系主任兼講座教授David Srolovitz教授於3月20日主持「校長講座系列:學術薈萃」。他在這場精彩演講中指出,材料科學是善用材料的藝術,而巧用晶體缺陷是關鍵。

出席講座者包括城大及其他院校的學者;因應新型冠狀病毒疫情,講座亦提供網上直播。在問答環節,數名來自不同國家和地區的與會者向講者實時提問。

Srolovitz教授兼任機械工程學系和物理學系講座教授,以及香港高等研究院資深院士。他說:「我們認識到從原子尺度到連續尺度的一類微觀結構演變,這亦令材料研究在科學層面上饒富趣味。」

Srolovitz教授在演講中說,很多材料性能取決於其比原子及電子更大的結構規模(即微觀結構),控制微觀結構的演變是材料科學面對的一大困難。

他提出了數個要點,其一為「晶體缺陷」,是指晶體的周期性排序受干擾,而非指物體斷裂。他說:「缺陷是所有材料的固有屬性;『微觀結構』指缺陷的空間排列。材料科學家可操控晶體缺陷如何形成、移動和排列。」

他又指,材料科學家旨在認識事物運作的基本機制(缺陷移動/微觀結構形成);材料工程師的角色則是將這種認識轉化成製作材料的方式,以供應用。他說:「材料科學家亦可控制材料組成,這是另一個關鍵。」

Srolovitz教授指出,在應用層面,材料對多種行業都很重要,因為對所有工程系統而言,材料既可令系統運作,亦能造成限制。

以航空航天工程的應用為例,材料能在極高溫度下保持高強度,亦能製成較佳的渦輪葉片供噴射引擎使用,可藉此提高引擎效率、降低燃油消耗、減少飛行時須攜帶的燃油,及減輕結構重量,提高飛行效率。

對於微電子學,材料科學幫助提升其效率(令其運作得更快)及可令其基本組件更緊密結合,亦即愈來愈小的芯片產生更多熱。能否提升效率,取決於我們製造和運用愈趨細小(運作愈趨快速)的微電子的能力;而這取決於如何製造接近原子規模特徵的設備,及如何讓芯片散熱令其不熔化。

他稱:「這些都是材料學要解決的問題,考驗我們控制缺陷的能力。」

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