这种按指定性能设计材料的方法，包括电子计算机在其中的应用，目前尚处于摸索的起步阶段，但已有一些成果。例如，人们用分子设计的方法合成了以磷氮为主链的高分子材料，达到了预定的性能指标。
分子设计不但可用于高分子材料的设计，现在人们正在研究将它用于功能材料设计和合金设计。当然，要取得突破性的进展，还要解决许多技术难题，这就需要材料科学家、工程师与计算机专家、数学家、化学家密切合作，攻克一个个难关。
正如人们常说的：“道路是曲折的，前途是光明的。”分子设计必将使人类最终摆脱对天然材料的依赖，用自己的双手创造出一个神奇壮观的材料世界！
§§§第五节材料工程放异彩
现代显微测试技术的迅猛发展，使人们在观测材料的结构时，能从晶体再细微到分辨出原子和电子，因而对材料所具有的独特的物理性质（电学、光学、磁学、热学、能量转换等）能够不断地揭示，给人类提供了设计新材料，改造、利用现有材料的依据。自然科学的进步和高新技术的旋风，为材料工程增添了异彩，已经培育出现代材料科学的灿烂花朵。而且由于高科技的涌现，人们已经制造出了许许多多性能奇妙的新材料，成为材料园地中的佼佼者。用于材料工程上的技术繁多，有离子束、电子束、激光束、电解、电镀、化学镀、高压力、快速冷凝等等，都在制备新材料方面做出了重大贡献。
定向生长的晶体
晶体结晶的过程，是从高温熔融的原液冷凝成固体的过程。这种过程导致固体材料内部的成分分布是不均匀的。例如金属大多数是多晶状态，在一个个有规律排列的晶粒的边界上，在结晶过程中，杂质就会挤入晶粒之间，而且产生杂质富集，这些杂质在低温时，会使晶体畸弯，有时对金属整体有一定的强化作用。但在高温下，晶界部分首先熔化。在外力作用下，这种杂质晶界首先使晶粒间相对运动，晶界上的杂质就成为一种运动的润滑剂。这样，人们就很容易想到，要提高金属的强度，就要消除晶粒间的晶界，生长成单晶体，实现这种设想的技术称为晶体的定向生长。
控制晶体定向生长，是一种极其复杂的很难掌握的技术。20世纪70年代，工程技术人员想通过铸型的水冷底板来控制高温金属融熔体的冷却速度，期望能制成一种特殊的飞机叶片。这种叶片上的晶粒要沿着主要受力的方向排列（工程上称为沿主应力方向排列），这种飞机叶片，在最容易破裂的方向上消除了晶界，形成了条状的晶柱，人们称为柱晶合金。和原来的合金相比，柱晶合金的高温强度及热疲劳强度都有显著提高。这种加工方法后来发展成生产单晶合金工艺。在柱晶生长晶路上增设一条弯的通道，只让一条晶柱通过，并经过严密控制冷却条件，就可制备一个具有完整晶粒的构件。在这种构件上，横向、纵向均无任何界面，或者说接近于没有缺陷。
定向单晶合金比普通多晶合金的工作温度可提高80℃—100℃。在同样高的工作温度下，单晶合金做成的构件的工作寿命比普通多晶合金的构件要长7倍以上。
单晶合金已开发了近百种，成为各种工程构件。美国的波音系列客机、欧洲的空中公共汽车系列客机、美国的战斗机、预警机和轰炸机都使用了单晶合金。美国航天飞机的主发动机，由于选用单晶合金而赢得“安全”之美名。我国的单晶合金生产工艺已在国内开花结果，进入了高技术的各个领域。
太空生长晶体
“敢上九天揽月，敢下五洋捉鳖”，这过去是一种神话，人类用这句话来表达改造自然的决心。然而这类神话却吸引了一批科学的探索者，为实现这种神话而献身。他们企盼着能在失重和高洁净的太空随心所欲地产生各种性能优良的材料，特别是单晶材料。科学家们在1983年12月发射的宇宙飞船空间实验室1号中，进行了制备单晶的实验，把在地球上生长单晶体的设备和方法，搬上太空实验室并制造出半导体硅和半导体锑化镓晶体，从而在人类的科学技术发展史上，写下了太空生长晶体的光辉一页。
在太空实验室里生长晶体，仍旧是采用地球上的硅单晶“区熔法”的生长设备。其具体作法是：在一个密封炉体内，使用两个作为加热源的卤光灯，聚焦于双椭圆炉体的共焦点上，形成一个熔区，熔区因加热炉移动而移动。
单晶硅的生长是用一定形状的多晶硅棒作原料，在氩气氛保护下通过掺硼工序逐步完成的。宇航员通过程序控制装置自动调节卤光灯的功率。生长硅单晶时，卤光灯功率是200—800瓦特，晶体在生长过程中以8转/分的速度旋转。随着炉体的移动，晶体以5毫米/分的速度慢慢生长，这次实验的生长时间定为21分钟。
单晶硅和锑化镓在太空生长，记录了世界材料制备步入太空的光辉一页，是人类步入太空进行科学实验的重要记载。而且，其数据完整，步骤清楚。当进行结果分析时，人们惊奇地发现，太空生长晶体所呈现出的“生长条纹”与地球上生长晶体的条纹有明显的不同。科学家们从这些科学记录中提出了一系列的新概念和新理论。
太空生长晶体的成功，给人类在宇宙生产设备的研制和生产产品的设计方面提供了可能和重要依据，人类开发宇宙和移民太空已不是遥远的事情了。
§§§第六节本世纪的突破
全球经济腾飞的洪流，势不可挡、汹涌澎湃，冲击着科学、技术、产业、文化的经络，展示出本世纪的宏伟蓝图。材料仍然是本世纪经济发展的柱石，科学家们已经预言：非晶态如繁星密布；高温超导将掀起第四次技术革命；纳米将是本世纪的材料新单元；高分子将功盖全球。这一切将汇成本世纪的最强音，人类的文明将进入新纪元。
纳米材料定乾坤
1959年，诺贝尔奖获得者、美国物理学家查德·费因曼（Richard PhillipsFeynman）曾经提出：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生怎么样的奇迹？”这并不是一位科学家的异想天开，随着纳米材料科学的出现、发展与完善，它很快变成了现实。纳米科学将对人类社会生产力的发展产生深远的影响，有可能从根本上解决人类面临的重大问题，如粮食、健康、能源和环境保护等。
纳米材料是指材料的尺寸处于1—100nm（纳米：即10—100）范围内的金属、金属化合物、无机物或高分子的颗粒。这些纳米级的颗粒显示出许多奇异的性能，这些性能既不同于通常的大块材料，也不同于单个原子状态的特性。纳米科学领域，包括纳米技术和纳米颗粒的制备方法，观测它们的奇异特性，各种纳米颗粒合成的纳米固体以及固体内的成分分布及纳米固体的新特性与有关的应用。
从19世纪60年代开始，纳米材料的发现是在胶体溶液中，它们是直径为1—100nm的粒子。科学家指出，直径小于1nm的颗粒是由100个原子构成，称为原子簇团。固体的纳米材料首先是由德国萨利仑特斯大学的H.格利特（H.Gleit-er）教授所领导的研究组在1984年制成，他们是用6nm（纳米）铁粉压成纳米固体。1986年，H.格利特宣称，纳米固体是一种具有奇异结构类型的固体，而且指出，在纳米颗粒的直径为2—10nm的颗粒中，其原子数目一般为100—1000个，其中有50％的体积为按不同方向排列的界面原子。
这样组合而成的材料，表现出这种材料既不同于晶态，也不同于非晶态。在纳米粉末方面，性质上显现出一连串奇异的物理特性，如金属的纳米粒子并不反光而且吸收光，一般金属粉末在不同程度上都具有反射光的性质，而呈现白色或灰色。而纳米金属粒子都很黑、不反光，说明具有很强的吸光特性。
另外，纳米金属粒子的熔点明显的比金属粉末低，如10纳米的铁粉，熔点降低33℃，即从1526.5℃降为1493.5℃。纳米金粉降低27℃，即从1063℃至1036℃。其粒度越细，熔点下降越显著。在光学、电学、磁学、热学等方面均与同类的块体材料不同。而且对于同一物质，即便有同样粒度，也会由于制备方法、所处的环境和测量方法的不同而得到不同的特性。
1982年，G.宾宁格（G.Binnlg）和H.罗尔（H.Rohrer）发明了扫描隧道显微镜（STM）。这种显微分析技术可以直接观察到原子，为开展纳米材料的研究创造了有利条件。到20世纪80年代末，扫描隧道显微镜不仅是一种观测的工具，而且还可用来排布原子。为此，G.宾宁格和H.罗尔在1986年获得诺贝尔奖。这种扫描隧道显微镜的价格仅为电子显微镜的l/10，但其放大倍数要比电子显微镜大10倍以上。我国的科学家已经成功地制造了这类仪器，而且它已进入了国内某些实验室。
1989年，美国斯坦福大学的阿尔希勒奇在晶态石墨表面搬走了原子因，写下了“Stanford university”的字样。1990年，美国IBM公司的埃格勒博士在零下296℃的Ni表面用35个氢原子排出了“IBM”的字样。1991年，日本电光学有限公司在硅表面上搬走原子写下了“CEOL”（公司的缩写）。1993年12月，中科院北京真空物理实验室的宠世谨教授在硅表面搬走了原子，写下了“中国”的字样。短短几年中，美、日、中三国已掌握了搬动原子的纳米技术，所写下的字母大小是一个标点符号的1/500000，表明人类按需要排布一个个原子的技术已成为可能。查德·费因曼的梦想变成现实已不是遥远的事情了，人类打开多姿多彩的原子、分子世界的时代即将到来。随着纳米技术的发展，为开发原子级存贮技术，打下了有利的基础。如果将某种存贮材料的原子一个个地按预想的方式进行排列，几个原子一组作为一个存贮单元，根据设计的功能，进行合理布局，这样就可以使单位面积（或单位体积）的存贮材料的容量提高几个数量级。这样，飞跃发展的计算机技术就会如虎添翼，超高速的计算机将遍地开花。
