以往人们在新材料研制过程中，往往采用“试错法”，导致大量资源、人力浪费。随着社会经济的发展和科学技术的进步，材料按需设计、实现使役性能的精确控制已成为先进材料发展的一个必然趋势。

材料使役行为的预测、设计与控制是在对材料成分－结构－组织－性能关系的清楚认识基础上，通过理论与计算准确预报新材料的组分、结构和性能，在微观、介观、宏观层次上进行材料设计和制备，从而开发具有精准多级结构、体现设计性能的新型材料。它可以帮助人们创制新材料和大大减少材料研发和测试的成本和时间，这是人们追求的长远目标。

材料设计可按研究对象设计的空间尺度而大致划分为三个层次：微观设计层次，其尺度在纳米量级，即所谓原子、电子层次的设计；连续模型层次，尺度在微米量级，材料被当作连续介质；工程层次设计，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料与零件的加工过程和使用性能的设计研究。

对于功能材料，如磁性材料、光学材料，决定其功能性质的机制相对较单纯，通常电子结构层次的计算即可解决其中的大部分问题，但对于结构材料，特别是其力学性能往往与宏观设计、微观组织、电子结构等多个尺度相关，因而力学性质本质上是多尺度问题，需要多尺度的联合模拟来进行研究。

材料设计理念，如仿生、超组装、复杂复合材料体系以及纳米科技，加上由计算机建模提供的进一步理解和可预测能力，未来将有新材料不断涌现以满足需求。

目前我国已处在应用理论和计算来设计材料的初级阶段，半导体超晶格材料、非线性光学晶体和自旋电子材料等都是材料设计的成功范例。目前关于材料设计的范式尚未最终建立，主要的材料设计途径有以下几方面：

1）材料数据库的建立；2）基于多层次的理论认识建立微观结构参数与性质的定量关系；3）材料生态设计的理论和方法；4）材料的计算设计、建模与仿真、虚拟制造与加工；5）材料寿命与服役行为预测；6）材料设计专家系统；7）基于第一性原理的计算。