什么是“材料科学与工程”？什么是“材料科学”？什么是“材料工程”？甚至什么是“材料”？众说纷纭。材料是一个极为古老的概念，自有人类文明，就用以划分时代，然而材料科学却是近三十年中才迅速形成起来的年轻科学，因此，近年来因时因地因人，产生了不同的说法，而考察其发展的过程，则能得到比较全面的实质理解。
人类从事金属材料的生产，已有数千年的历史。十七世纪英国胡克制造第一台复式显微镜观察材料并总结出应力、应变关系的弹性定律，为材料科学与工程的发展奠上了一块重要的基石（图1 B-11）。这时，物理学和化学由于牛顿和波义耳的工作已确立为两门科学，这三个同时代人在学术上都有过交往，但是直到本世纪前半叶，主要用于机械、航空、土木等工程的材料工程，所处理的主要还是以应力、应变为代表的10-1cm以上的宏观材料现象（图1 A-4），与那时已深入到以下的微观结构物理学知识（图1 A-1）联系不起来。一直以金属材料为主要对象的工程材料-材料力学，实际上避免触及材料微观结构与宏观性能间的关系。在力学上如此，在电学、磁学、光学、热学上也有类似情况。
二十年代固体物理的发轫（图1 A-2、1 B-13），使物理学家对物质的了解有了向材料工程靠拢的桥梁；而正如古代冶金曾为化学的理论及方法提供过基础那样，现代冶金也为固体物理提供了肥沃的土壤，特别在涉及结构敏感性能时尤其如此，这很难来之于纯数学-物理框架。这样，一方面使物理更靠近社会需要；另一方面也提高和丰富了冶金实践，使十九世纪以来逐步形成的冶金科学潮流，从主要依靠材料成分的化学分析和工艺过程中成分变化的控制，强烈地转向物理，并在此背景下逐渐形成了材料科学（图1 B-14）。但很难确切地说出它究竟是什么时候诞生的：殆至五十年代初，学术界还很少提到“材料科学”，然后从六十年代初开始，它便出现在美国研究生课题中，而到八十年代初，在著名的彼得森（Peterson）《美国大学指南》中，材料科学（与工程）已与机械-宇航工程、电机工程、土木工程、化学工程等并列为18个工程与应用科学大学科之一，在所属的41个分学科中，占7个。
就其对象而言，四十年代前的材料工程，几乎就局限于金属，从未提到过陶瓷与聚合物。五十年代初开始，工程上的新发展愈来愈广泛地涉及众多的材料新类别和新形式，聚合物首先崭露头角，陶瓷逐步显示出不可忽视的地位，两者不断增加其重要性。聚合物（有机材料）、陶瓷（与玻璃）、金属以及他们的复合物于是便构成了“全材料”对象。当发现冶金上的一些结构、次结构等概念可直接应用于陶瓷时，在科学观念上和在工业生产上都开始了向非金属的渗透；随后又出现了无定形金属——金属玻璃。有人形象地说：过去冶金工作者只是把陶瓷坩埚当作试验工具用，而现在则要研究陶瓷本身了。三者的发展，愈来愈多地展现出其内在联系；金属、陶瓷、聚合物的断裂，在细节上虽有区别，但其断裂物理基础却是相似的；热力学中的相转变、热膨胀、比热、弹性变形、介电性、顺磁性、逆磁性等，对三者也是相同的；聚合物纤维和金属线材的挤压，乍看起来是不相关的工艺，实际上却具有有意义的相同之处等等。研究的深入，逐步揭露出在基本问题上，如晶粒（及非晶）、晶界、杂质、位错等等，三者殊途同归，有共同的基础。基于固体物理，连通了晶体化学、金属学、聚合物等、陶瓷学等等的结构学、热力学诸基础方面，把微观与宏观联系起来，大体着重在10-2至10-8cm间的次微观结构。这就是有人所称的“分子工程”，较普遍的则称为“材料科学”（图1 A-3）。在这里，材料性能这个基本概念，概括成为场强与反应间的关系，场强包括对材料所施加的应力、温度、电压陡度，热陡度、磁场强度等等，反应包括材料所回加的应变、单位质量热导、电流密度、电介质位移、热流等等。这样，使原来从表面上看去完全无关的行为，例如（机械）材料试验机与电容器，具有了共性；在学科上，使全材料的材料科学与工程有了统一的基础。
在方法上，自从胡克那时提出对所用的材料应测量其强度以来，根据经验“试 - 误”方法，不断发展着材料工程。今年5月24日正好是落成一百周年的，当时号称世界第八奇迹的纽约布鲁克林悬索大桥，建造时工程师鲁布林靠先造小桥来积累设计它的经验，但最后对究竟得用多少悬索还是心中无数，因而，从现代科学来看还是多用了许多。工程的发展愈来愈多要求对材料进行各种分析和试验，这就开始了材料科学的观察描述的初始阶段（图1 D-31）。在这一阶段中，工程材料的一系列性能参数逐步完整起来了，而新材料的研究，则多少要靠运气。本世纪初，在钢内加铬原拟作为枪膛的耐磨钢，不成功而丢弃，却意外地发现了不锈钢。科学的第二阶段，开始对所描述的现象进行解释，新材料虽仍用“试 - 误”方法获得，但科学因素逐步增多，经验因素逐步减少（图1 D-32）。近三十年来，已能解释很多现象，但有待解释的也仍不少。不过，既然能确切知道所需要的是什么性能，什么样的结构与这些性能有关，什么样的成分组合与工艺可以产生这样的结构，那么就可以预见性地设计出新材料、新性能，电子计算机的辅助，更加快了这个第三阶段（图1 D-33）的到来。有人说：十九世纪设计的是用材料的工程结构，二十世纪要求设计的是材料本身：原子与微晶尺度的结构设计。聚合物首先进入了这个阶段，从五十年代开始，在原子水平设计出具有特定性能的新分子结构。当金属需要几年时间用传统方法研究出一个新材料时，聚合物却可在试验室中每星期都有新分子结构材料合成出来。总的来说，现代材料的重大进展，绝大部分是由于运用科学知识的结果。材料工程师主要靠经验和下意识做向导的时代业已过去，材料工程师而不熟悉材料科学，已不能成为一个现代意义的材料工程师了。而材料科学家也愈来愈多地从终端应用出发来进行研究。现在已出现了物理学家可以在工业中与冶金工程师竞争同一职位的局面，而很多杰出的成就，却往往正是由能在两者间来回从事者所取得的。
材料科学与材料工程的发展及其范围的扩大，使彼此逐渐没有太大的实质上的区别。七十年代产生了把两者概括在一起的“材料科学与工程”（Materials Science and Engineering，简称MSE，图1 A-5、1 B-15、1C-25、1C-26）。三者的差异，往往在于强调方面的不同。“材料科学与工程”强调学科的整体性（英文明确规定其后所跟动词用单数形式）。“材料科学”着重发现、分析、理解材料性能，提供清晰的描述和模型，较多的和物理科学联系，最近发展和生命科学有了联系（图1C-24）。“材料工程”着重把基础知识（以及其他有用的知识）用于材料的研制、生产、变性、应用，完成特定的社会任务，解决技术上、经济上、社会上（包括环境）的可行性，较多地和机械工程、宇航工程、土木工程、电机工程、电子工程化工等联系，最近也发展和医学有了联系（图1C-27）。有时，也在横的方向上因材料不同而区分为金属材料科学与工程（图1C-21）、聚合物（有机材料）材料科学与工程（图1C-22）、陶瓷（与玻璃）材料科学与工程（图1C-23）。
美国国家科学院材料科学与工程调查研究委员会对“材料科学与工程”的官方定义为，把材料的成分、结构、工艺同其性能、用途联系起来的知识之发现与应用”；它是“从科学到工程的一个多专业连续领域，其间，各种专业与分专业已布满整个范围，贯穿整个体系”；它“密切结合了凝聚态物质的知识与现实世界材料性能的知识”；使“对材料的基本理解，通过它达到社会终端应用，反过来，又把社会需要和材料的服役表现，通过它从相反方向转移过去”。
这个委员会还把材料定义为：“人类用来制造社会所需产品的物质”，“这个物质子集，具有有用的性能，可为所制的产品提供其功能”。从社会需要出发，最后回到终端产品，串联着一系列平衡制约着、互相作用着的社会活动，在现代，构成了一个复杂的材料科学与工程体系，这是一个涉及国民经济各行各业的宏观体系，是以材料性能信息转移串联起来的系统工程（图2），它可能接近钱学森同志所提的社会系统工程范畴。
对社会需要（图2 A），首先要确定产品的功能，研究哪些材料性能，能对这些功能作出贡献，定出规范，然后在数据网络中搜索符合规范的材料。产品功能对材料的要求往往并不直接就是材料性能，有时甚至很难找到对应的材料性能集合，而确定其规范也常并非易事。一把锁的锁芯，要求：别的钥匙打不开（准确），而用相配的钥匙则一打就开（活络），这就要求材料耐磨、自润滑；人造心脏要求搏动亿万次不坏，这就要求很复杂的材料性能集合，至于要求不能附着凝血，则在目前更难以确定其对应的性能集合。这些环节的相互影响与反馈，实际上是错综复杂的。陶瓷的发展，展现了本世纪末全陶瓷内燃机的前景，人们就要求出现“绝热”柴油机一取消带走很大部分热能的冷却系统。第一个安装人工心脏者克拉克故世后，通过全材料搜索，正研究选用航天飞机重返大气层的外壳保护材料来制造人工心脏。至于传统的铜锁芯，你可能发现有的已经用粉末冶金代替，节省几千吨铜。
由于市场的统一需要，输入数据网络的（不论是传统的手册、样本，还是电子计算机数据库），应是全材料的滚动信息（图2 B），既包含技术上的（使用性能、工艺性能），也包括经济上的，并且反映出易得性（市场有供应的？需分配的？还是军用的或者国内尚未掌握的？），原始数据应经过一系列鉴定加工，表达出可靠性、波动情况等统计信息。
数据网络对社会需要的反应可能是消极的：不能满足（图2C）。这可能是材料性能数据不全，可能是没有相应现成材料，或者能够在原有基础上短期发展获得，或者需要进行基础研究，或者引进；而变更产品功能要求，则也是不容忽视的重要途径之一。
如果反应是积极的（图2 D），满足性能规范要求的材料往往不止一种，材料科学与工程体系愈活跃，答案就愈复杂，甚至还会再要求变更产品功能要求，以进一步扩大选材范围，达到总体最优结果。由于每种满足规范要求的材料的各种性能优越性组合一般都各有千秋，需要进行多目标决策，用优化程序来作最佳选择。这个程序可能仅是靠经验的下意识决策，也可以做到算法化的电子计算机辅助决策。这犹如中医名医诊断处方电子计算机化。
最后的选定、制造直至使用、失效，都会有反馈信息转移到各环节，调整各环节工作（图2 E）。产品失效报废，并不是体系的终点，重新回用则作为再循环资源，废弃则需进行妥善处置（图2 F）。美国国会在采用上述材料定义时补充：材料，不仅是指其性能正在利用时的物质，也当包括利用以后的物质。这是它的立法需要。废弃材料关系社会环境污染，开发材料关系人类资源永续。
材料是各行各业的劳动对象，材料科学与工程是多专业的领域，因此一个活跃的材料科学与工程体系必然由一个庞大的科学家、工程师队伍组成，并且在很大的比重上富有综合行为的特点。据美国国家科学院材料科学与工程调查研究会查明，当时美国全国有科学家、工程师总计180万人，其中有50多万人，也即总数的三分之一，从事着与材料科学与工程有关的工作。这里有40万以上并不是只从事材料工作的，他们还同时从事着其他专业工作，其活动影响到材料行业的左邻右舍，也从左邻右舍影响到材料行业，他们活动范围大、活动量大、发言权大。有人称之为“万能博士”或者“百搭”（Jack-of-all-trades）。正是这部分人，是促使现代材料科学与工程体系发挥系统功能的重要因素，是促使现代材料科学与工程领域内专业学科间屏障消融的重要因素。300年前，材料科学与工程的奠基者胡克，也是一个“万能博士”、“百搭”，他在物理、化学、机械、建筑、天文、气象、地质、生物等领域都有过贡献，但以他命名的，只有材料领域里的胡克弹性定律，来自工程实践，列入科学定律，并且他还发明了一个小小的，然而至今还在应用的社会终端产品——手表中的游丝。