作者在武汉大学开设材料学入门类通识课程20年，一直努力尝试在少讲数理模型、公式推导的情形下，深入浅出、通俗易懂地把材料世界的基本规律、发展路径、未来趋势等内容简明活泼地传递给大家。经不断耕耘，在此方面略有所得，课程也受到了广大学子们的欢迎。为了让更多的读者朋友们能够一窥奇妙的材料世界，我们在多年的讲义基础上,修改、扩充、完善，最终编撰成了这本受众更广的科普读物——《身边的材料学》。
本书通过对身边材料的切入，娓娓道来，由浅入深,以达到更好的讲解效果。全书的内容大致可按“衣、食、住、行、通信”来划分，具体包括以下几个板块：衣系列（纺织材料）、食系列（饮食器具和厨具材料）、住系列（建筑家居材料）、行系列（运输工具材料） 和通信系列（信息沟通手段与材料）。本书中介绍的这些材料大多是我们在日常生活中非常熟悉的身边的材料，但这些材料都有着波澜壮阔的发展历程。从原始自然的取材到现代的纳米科技，无不充满着神奇的故事。围绕这些身边的材料去探究它们内部的奥秘与神奇，揭示它们的组织构造规律，归纳其共性的原理，了解其制造工艺的发展与变迁，展望它们更加多彩新奇的未来，将使读者朋友们在阅读过程中充满探索与发现的乐趣！
在本书行文中，也注重梳理材料的发展历程，联系当时的社会历史背景，发掘材料发明过程中的趣闻轶事，饶有趣味地讲述重大发现背后的故事，力图把自然科学与人文科学有机联系起来。大力弘扬中华文化，借鉴西方文明，探究文化在自然科学发展中所起到的重要作用。通过艰难的材料发现、发明事例，彰显科学精神与人文关怀。重点关注生态材料，倡导人与自然的和谐发展。
本书力求将材料知识、科学精神、创新思维与人文精神有机融合，展现一个认识世界、改造世界的新窗口，领悟到各专业学科与哲学、社会科学的紧密联系，塑造积极向上的人生观和价值观。
参加本书编写工作的有：肖文凯（引言、第1～4章、第6、7章、后记）、雷燕（第5章）、薛龙建（第8章）、张国栋（第9章）。翟显、王晗、何鹏、张晖等查阅收集了大量文献、图片资料，并参与了核校工作，在此一并表示感谢。
作者在编写本书时，曾参考和引用了一些单位及作者的资料、研究成果和图片，在此谨致谢意。
由于作者学术水平和客观条件所限，书中难免有疏漏之处，敬请读者朋友批评指正。
肖文凯于珞珈山
后记
材料的哲学
正当铁器在2000多年前的西汉如火如荼地普及起来的时候，中国人又一个伟大的发明产生了，淮南王刘安心疼生病的母亲发明了豆腐，从此风靡华夏，成为国人最常见的美食之一。
豆腐的品种很多，常见的是豆腐脑，也叫豆腐花，还有嫩豆腐、老豆腐、以及冻豆腐。我们不难看出，人们通过对豆腐中含水量的调节，依次做出了豆腐花、嫩豆腐和老豆腐，其口感的嫩度阶梯下降，可以当饮料喝，也可以掺汤和烧煮，口感层次逐渐丰富，这是对食材成分的调控手段(图1)。而冻豆腐呢，则是对它的结构进行了调控，它不同于前面的几个系列，在结构上发生了根本的变化。
图1各种豆腐
我们知道，水有个奇特的性质，水结成冰后，它的体积不是缩小而是胀大了，比常温时水的体积要大10%左右，因此密度比水轻，可浮在水面上。为什么说这是个奇特的性质呢?因为绝大多数材料的固相的密度是比液相高的。水太重要了，那是生命之源，试想如果水遵从一般的相变规律，冰比水重，冬天来临，江河湖泊海洋都结了冰，冰在下而不是在上，生命就没了呀，幸好冰浮在水面上，鱼儿还可以在冰下遨游，生命可以安然度过冬季。
当豆腐的温度降到0摄氏度以下时，里面的水分结成冰，原来的小孔便被冰撑大了，整块豆腐就被挤压成网络形状。解冻，等冰融化成水从豆腐里跑掉以后，就留下了数不清的孔洞，使豆腐变得像海绵一样。这样的豆腐吃上去，口感很有层次。冻豆腐放在火锅里煮是非常好吃的，因为冻豆腐里的蜂窝组织吸收了汤汁。人们通过这一波神操作，将豆腐做成了多孔材料，使其结构发生了本质变化。多孔材料，这可是当今材料领域的一大热点。
常言道，艺术来源于生活，对材料工作者来说，材料的发明与制造又何尝不是从生活中受到启发而受益的呢？人们改变豆腐的成分和结构是为了追求其不同的口感，这个口感实际上就是豆腐这种食材的性能，因此改变了成分和组织结构就改变了性能，也可以说，材料的成分及其组织结构决定了其性能，这便是材料的哲学。
先辈们通过改变青铜中锡的含量使青铜逐渐变得强硬，从做釜鼎到做刀剑，乃至镜子；通过改变铁中碳的含量，发明了钢，从钉马掌到做犁铧，乃至刀剑；现代人也很争气，孜孜探求，更进一步加入了更多元素到钢中，精心配比调控成分，发明了合金钢，解决了耐高温、耐严寒、耐腐蚀、抗疲劳、耐冲击等多种场合的应用问题；通过精准调控半导体元素的浓度实现了电子信息技术的飞跃。于是北极南极破冰，万米深海寻宝，到月亮上会嫦娥，到火星上去做客，在太空建了驿站，拜伟大的材料所赐,这些都一一实现了。
通过千锤百炼多次淬火，古人成功细化了晶粒，有效解决了应力集中的难题，极大提升了钢的强韧性；通过折叠锻造复合夹钢的工艺达到了刚柔相济的境界，这实际上利用了多相组织的性能。古代世界上排名第一的兵器是大马士革刀（图2）。它没有采用我国工匠们传自欧冶子的夹钢的方式，而是直接将两种不同成分的钢种夹在一起然后折叠锻打，实现两种不同成分的钢在纳米层面上的均匀混合，其锻打成形抛光后，因为成分不同抗氧化性也不相同，颜色深浅也不同，形成明暗相间的条纹，由于其独特的劈开锻打方式，羽毛般的花纹比欧冶子的宝剑花纹更具鲜明性，当然由于两相混合得更为细致均匀，其性能更是占据魁首位置。
图2大马士革刀
通过将熔融的合金液体瞬间冷却，人们获得了金属玻璃，这种非晶态的结构规避了晶态结构的各向异性，使得金属材料的耐蚀性和耐磨性大为提高。
还有一个更为极端的现象，那就是金刚石与石墨，它们都是由纯碳元素组成，仅仅因为原子排列方式不同，组成结构不同，一个成了宏观上最硬的材料，一个软得掉渣(图3)。但把组成石墨片层的那一片片材料单片揭下来，就成了一种划时代的新材料——石墨烯，它才是世上图3金刚石与石墨
最硬的导电性最好的材料，它的红利我们要吃上几十年甚至上百年，它的问世是纳米材料时代的伟大标志！
从细化晶粒到微米材料再到纳米材料，我们都做到了。我们在先进的电子显微镜、原子显微镜的加持下，看到了古人们没有看到的微观世界，洞悉了原子、分子间的奥秘，格物致知，我们有了先进装备，我们比圣贤们幸运多了，当年王阳明先生坐在窗前端详竹子，格竹子，七天无果，最后病倒作罢，后来转而创建了心即理的阳明心学，要是当时有个显微镜，这世界恐怕是另一番模样！
当今世界，在各个自然学科领域都已经进入分子尺度的研究范畴，生物领域的人们在探知蛋白质的构造及其生长机制，光合作用怎么产生蛋白质和碳水化合物，怎样利用工业化手段生产肉食，怎样再造生物器官；在材料领域人们可以设计特殊结构的组成，并利用分子动力学模拟其性能，再在实验室中通过种种特殊的装置和方法将材料分子和原子或纳米粒子一一按照所设计的结构堆积起来，量子传感器、分子马达、纳米机器人……我们已经知道什么样的结构具有什么样的性能。我们可以把不同的结构嫁接起来，完美过渡。每天有无数材料人通宵达旦地想方设法去实现这些理想的结构，它们一旦实现，就具有所需的性能，的确厉害。世界上神奇的物种很多，我们的显微镜可以将它们的结构完整呈现，这只是时间问题。接下来是我们如何去实现这些结构，让环保、廉价、大规模应用的制备工艺造福于人类，于是多种途径的实现方法便百舸争流千帆竞渡，好一个欣欣向荣的昌盛的景象。我们正处在科技飞速发展的时代，新科技、新材料、新能源的突破呼之欲出，当然气候变化也在加速，希望新科技、新材料带给我们更为持续的发展方式，以科技与自觉遏制生态变化的加剧，让人与自然和谐相处，让地球好，我们也好。相信未来的新材料一定会带给我们更多的惊喜！
