Как ученые синтезируют новые материалы?

По-разному. Есть много разных технологических приемов, при необходимости разрабатываются новые. Нагревают, охлаждают, смешивают, выпаривают, сжимают, испаряют, осаждают, пропитывают, растворяют, кристаллизуют, плавят, подвергают воздействию радиации и так далее.

Если вы о процессе поиска, как они узнают, что нужно делать - тут тоже по разному бывает. Иногда что-то получается благодаря случайному стечению обстоятельств (как, например, история открытия изготовления резины из сырого каучука). Иногда - методом проб и ошибок. Иногда - благодаря глубокому пониманию строения вещества и целенаправленным воздействиям на него для получения ожидаемых свойств. Что-то подглядывают у природы, а затем модифицируют или улучшают.

Смешивают шо имеют, а опосля пытаюцо изобразить структурную полученного фотрулу на бумаге. В частности, так было с бензолом.
Некоторые полученные реактивы тестировают на жывотных шоб подписать на баночке - яд или лекарство. Для лекарств ещё изобретают новые болезни /диагнозы/, от которых это лекарство может помогать...

Как-как, берут уже известные материалы, смешивают в разных пропорциях, подвергают термической или другой обработке и исследуют свойства того, что получилось. Лекарство Сальварсан было получено на 606 синтезе, его так и назвали препарат-606.

Синтезируют химики. Самыми разными способами.
рекомендую вики
Углеродные_нанотрубки
Углеродные нановолокна
Углеродное волокно
графен
--
Мартенситностареющие стали
Термомеханическая обработка
--
в танковой броне используют карбид бора

Создают структуры из квантовых частиц, которые еще не встречались в природе, хотя некоторые элементы полученные искусственно позднее были найдены в космосе, а что касается конкретно материалов, то чаще всего как случайное следствие эксперимента.