Assessment of the National Institute of Standards and Technology Materials Science and Engineering L pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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作者:National Academies Press (COR)

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isbn号码:9780309127318

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• 材料科学
• 工程学
• 国家标准与技术研究院
• 评估
• 研究报告
• 技术创新
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• 科学技术政策
• 美国政府研究
• 性能评估

《现代材料科学前沿探索：从基础理论到前沿应用》 书籍简介 本书旨在为材料科学领域的研究人员、工程师、高级学生以及对材料创新抱有浓厚兴趣的专业人士，提供一个全面、深入且具有前瞻性的知识框架。我们聚焦于当代材料科学中最具活力和影响力的研究方向，旨在超越现有技术的局限，探讨下一代材料体系的设计、制备、表征及其在关键技术领域的应用潜力。本书的撰写遵循严谨的科学逻辑，力求在理论深度与工程实用性之间找到最佳平衡点。 第一部分：材料设计与计算模拟的革新 本部分深入探讨了材料科学研究范式的转变，即从依赖经验试错到基于计算预测和人工智能驱动的设计。 第一章：高通量计算与材料信息学 本章详细介绍了密度泛函理论（DFT）在预测材料电子结构和宏观性质中的应用。我们不仅回顾了DFT方法的精度和局限性，更重点阐述了计算材料组学（Materials Genomics）框架如何通过集成数据库构建、高通量计算筛选以及机器学习模型（如高斯过程回归和神经网络）来加速新材料的发现过程。特别关注了如何利用数据驱动方法预测复杂合金体系中的相稳定性、缺陷行为和界面能。此外，本章还讨论了材料信息学在知识图谱构建中的应用，用以挖掘现有文献中隐藏的结构-性能关系。 第二章：跨尺度模拟的挑战与突破 材料的性能往往由从原子尺度到宏观尺度的多重相互作用决定。本章系统梳理了不同尺度的模拟技术及其耦合策略。分子动力学（MD）模拟在模拟晶体缺陷迁移、扩散过程和高分子链动力学中的最新进展得到了充分论述。随后，我们探讨了如何利用介尺度模拟（Mesoscale Modeling），如相场（Phase-Field）方法和格子玻尔兹曼方法（LBM），来模拟微观结构演化，例如晶粒生长、相分离和复合材料的界面演化。章节的重点在于探讨如何有效地将量子力学计算结果映射至介尺度模型，实现真正意义上的跨尺度关联。 第二部分：先进功能材料的合成与表征 本部分侧重于当前最具突破性的功能材料的制备技术和先进的表征手段，这些材料是实现未来能源、信息和生物技术革命的关键载体。 第三章：二维材料的异质结构与应用 二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）的研究已进入结构工程的新阶段。本章重点介绍了范德华异质结（van der Waals Heterostructures）的设计原则，包括如何通过精确控制层间距和扭转角来实现电子能带的调控（如“魔角”石墨烯现象）。讨论了原子层沉积（ALD）和分子束外延（MBE）技术在构建垂直集成器件中的精确控制能力。应用方面，着重分析了这些异质结在超高速电子学、光电器件和自旋电子学中的潜力。 第四章：智能与自适应材料系统 本章探讨了一类能够感知环境变化并做出可逆响应的材料。我们深入分析了形状记忆合金（SMA）和可逆聚合物的驱动机制，包括其热力学和动力学控制。重点关注了应力诱导相变和自修复聚合物网络的最新设计策略，例如通过动态共价键或超分子相互作用实现的损伤识别与功能恢复。此外，也涵盖了对外部刺激（如光、电、磁场）敏感的响应性流体和软机器材料的构建方法。 第五章：先进微纳结构表征技术 材料的性能与其微观结构息息相关。本章不谈常规的TEM/SEM，而是聚焦于高分辨率、原位（In-situ）和活体（Operando）表征技术。详细介绍了同步辐射光源在X射线吸收谱（XAS）、X射线光电子能谱（XPS）以及高能X射线衍射（XRD）中的应用，这些技术如何揭示材料在真实工作条件下的电子态和晶格畸变。同时，重点阐述了尖端原子力显微镜（AFM）技术，如非线性光学AFM和电化学AFM，在探测试验材料表面纳米形貌、力学和电学特性方面的突破。 第三部分：面向挑战的工程应用与可持续性 本部分将理论和基础材料科学的成果与当前人类面临的重大工程挑战相结合，探讨材料解决方案的可行性与未来方向。 第六章：能源存储与转换的高熵材料 面对全球能源转型的需求，本章重点讨论了高熵材料（High-Entropy Materials, HEMs）在电池和催化领域的应用。HEMs因其多组元、复杂构型的特点，在提高热力学稳定性和拓宽电化学窗口方面显示出巨大潜力。详细分析了高熵氧化物在固态电解质中的离子迁移机制，以及高熵合金/陶瓷在极端温度下作为高效电催化剂的性能优势。本章强调了如何利用晶格畸变和局域结构无序性来优化电荷传输路径。 第七章：生物医学材料的界面工程 生物医学材料的挑战在于实现材料与复杂生物环境的长期、稳定、功能性的交互。本章关注生物相容性界面的精确设计。探讨了如何利用表面活性剂、生物分子锚定技术和等离子体处理来调控植入物表面的蛋白质吸附和细胞黏附行为。深入分析了可降解聚合物的降解动力学及其在药物控释系统中的应用，以及如何利用水凝胶构建具有仿生功能的组织工程支架，重点讨论了材料对细胞信号传导的影响。 第八章：可持续性、循环经济与材料生命周期评估 本章将视角转向材料科学的社会责任与长期影响。探讨了循环经济原则如何指导新型材料的开发，侧重于开发易于回收、低能耗合成的材料体系。详细介绍了材料生命周期评估（LCA）方法论在评估新材料（如新型电池材料、先进复合材料）的整体环境足迹中的关键作用。讨论了从矿物资源替代、低毒性元素使用到终端产品回收的全链条优化策略，旨在推动材料科学向更绿色、更可持续的方向发展。 结论与展望 本书的最终目标是激发读者在跨学科交叉领域进行创新性思考，将计算的精确性、合成的控制力与应用的迫切需求相结合，共同塑造材料科学的未来图景。

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