以往人們?cè)谛虏牧涎兄七^程中，往往采用“試錯(cuò)法”，導(dǎo)致大量資源、人力浪費(fèi)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，材料按需設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)使役性能的精確控制已成為先進(jìn)材料發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。

材料使役行為的預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)與控制是在對(duì)材料成分－結(jié)構(gòu)－組織－性能關(guān)系的清楚認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，通過理論與計(jì)算準(zhǔn)確預(yù)報(bào)新材料的組分、結(jié)構(gòu)和性能，在微觀、介觀、宏觀層次上進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和制備，從而開發(fā)具有精準(zhǔn)多級(jí)結(jié)構(gòu)、體現(xiàn)設(shè)計(jì)性能的新型材料。它可以幫助人們創(chuàng)制新材料和大大減少材料研發(fā)和測(cè)試的成本和時(shí)間，這是人們追求的長遠(yuǎn)目標(biāo)。

材料設(shè)計(jì)可按研究對(duì)象設(shè)計(jì)的空間尺度而大致劃分為三個(gè)層次：微觀設(shè)計(jì)層次，其尺度在納米量級(jí)，即所謂原子、電子層次的設(shè)計(jì)；連續(xù)模型層次，尺度在微米量級(jí)，材料被當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)；工程層次設(shè)計(jì)，尺度對(duì)應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料與零件的加工過程和使用性能的設(shè)計(jì)研究。

對(duì)于功能材料，如磁性材料、光學(xué)材料，決定其功能性質(zhì)的機(jī)制相對(duì)較單純，通常電子結(jié)構(gòu)層次的計(jì)算即可解決其中的大部分問題，但對(duì)于結(jié)構(gòu)材料，特別是其力學(xué)性能往往與宏觀設(shè)計(jì)、微觀組織、電子結(jié)構(gòu)等多個(gè)尺度相關(guān)，因而力學(xué)性質(zhì)本質(zhì)上是多尺度問題，需要多尺度的聯(lián)合模擬來進(jìn)行研究。

材料設(shè)計(jì)理念，如仿生、超組裝、復(fù)雜復(fù)合材料體系以及納米科技，加上由計(jì)算機(jī)建模提供的進(jìn)一步理解和可預(yù)測(cè)能力，未來將有新材料不斷涌現(xiàn)以滿足需求。

目前我國已處在應(yīng)用理論和計(jì)算來設(shè)計(jì)材料的初級(jí)階段，半導(dǎo)體超晶格材料、非線性光學(xué)晶體和自旋電子材料等都是材料設(shè)計(jì)的成功范例。目前關(guān)于材料設(shè)計(jì)的范式尚未最終建立，主要的材料設(shè)計(jì)途徑有以下幾方面：

1）材料數(shù)據(jù)庫的建立；2）基于多層次的理論認(rèn)識(shí)建立微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與性質(zhì)的定量關(guān)系；3）材料生態(tài)設(shè)計(jì)的理論和方法；4）材料的計(jì)算設(shè)計(jì)、建模與仿真、虛擬制造與加工；5）材料壽命與服役行為預(yù)測(cè)；6）材料設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)；7）基于第一性原理的計(jì)算。