从打破规则到制定规则：材料科学的奇妙转变

小时候，我父亲在印度经营铸铁制品生意。我经常出入铸造车间，看到铁水被倒入模具后变成日常用品。在我看来，这简直像魔法：炽热的液态原料能变成坚硬的固体。这让我第一次意识到，物质的结构并非固定不变，而是可以被重塑的。
多年后，我在印度理工学院马德拉斯分校学习冶金与材料工程时，学到了一句核心准则：结构与键合决定性能。这是个重要的真理，但也引发了我更深的思考：谁来控制结构与键合呢？教授们认为热力学是最终权威，有时我会开玩笑说，热力学就像是我们领域的“上帝”，决定着哪些键能形成、哪些结构稳定。
但我一直对这个答案不太满意。一定有办法能按需控制键与结构。我想自己决定形成什么键、出现什么结构，最终创造出什么样的性能——完全按需定制。
这种渴望让我投身于分子束外延（MBE）技术。在MBE中，热力学并非绝对主导，它需要与表面动力学、应变、衬底化学甚至外场相互“协商”。这正是科学变成艺术的地方。通过利用这种“协商”，我们能稳定那些“不可能”存在的物相，制造独立薄膜，或设计特定性能。
一路走来，我还发现，科学发现很少循规蹈矩。缺陷和杂质确实会改变材料的本征性能，但在合成科学中，最纯净的晶体往往诞生于最“混乱”的过程。拥抱无序而非回避它，可能正是在原子尺度实现有序的关键策略，这在材料合成与加工中尤为明显。
如今，随着氧化物薄膜的兴起，我们有了更强大的工具。通过堆叠和扭曲这些薄膜，我们不再受限于自然界固有的对称性和键合方式——我们能设计出全新的结构，包括准晶体。我们不仅能定制结构，还能定制键合本身，相当于为物质编写自己的“规则手册”。
不久前，氧化物MBE领域的传奇人物、康奈尔大学材料科学教授达雷尔·施洛姆提醒我：“打破规则才能发现新性能。”这话让我深有感触，但思考领域的发展方向后，我意识到我们面临的挑战更大：我们不再只是打破规则，而是在制定规则。借助薄膜和外延设计，我们正学习“编程”物质，决定哪些键合和结构规则适用，创造出自然界从未有过的材料。
对我而言，科学发现从来不是“服从规则”，而始终关乎创造力——从深思熟虑地打破规则，到刻意地制定规则，希望借此发现那些无人想象过的性能。