在宋真宗之后，宋朝依靠每年送大量银绢与辽朝维持了几十年的和平局面，但辽朝却利用宋朝的软弱，试图侵占更多土地。公元1075年，辽国派大臣萧禧到东京要求划定边界。神宗派沈括出使，因为沈括精通地理并且细致认真，因此他能提供有力的证据来支持宋方的立场，最终成功保护了宋地。
沈括不仅在谈判中表现出色，他还对边境地区进行了详尽的地形勘察，并制作了一系列三维模型来辅助谈判。此举深受神宗青睐，被任命为翰林学士。他后来又被命令编制全国地图，这项工作历时十二年，最终完成了《天下郡国图》，这是一部当时最准确的地理著作。
除了地理研究之外，沈括也是一个多才多艺的人物，他涉猎天文学、历法、音乐、医学等领域，对北极星位置的计算尤其精确。他晚年居住在梦溪园期间，将一生所学总结成书《梦溪笔谈》，其中记录了许多劳动人民的发明创造，如活字印刷术，这是四大发明之一，由毕升发明。沈括对此技艺感到兴趣，并详细记录于书中，为后人了解这一重要发现提供了线索。
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