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一路開(kāi)掛的人生

他，16歲上大學(xué)，30歲當(dāng)博導(dǎo)，32歲擔(dān)任國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，36歲出任中科院金屬研究所所長(zhǎng)，38歲增選為中國(guó)科學(xué)院院士，40歲當(dāng)選德國(guó)科學(xué)院院士，41歲成為美國(guó)《Science》雜志的首位中國(guó)評(píng)審編輯，48歲成為中國(guó)“萬(wàn)人計(jì)劃”首批杰出人才的6位人選之一，53歲當(dāng)選為美國(guó)科學(xué)院外籍院士。

他，從本科到博士研究生，一直都在國(guó)內(nèi)接受教育，是地地道道由中國(guó)本土培養(yǎng)出來(lái)的世界頂級(jí)科學(xué)家，妥妥的一枚“中國(guó)制造”。2020年獲得未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)“物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)”， 以獎(jiǎng)勵(lì)他開(kāi)創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)和利用納米孿晶結(jié)構(gòu)及梯度納米結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)銅金屬的高強(qiáng)度、高韌性和高導(dǎo)電性。

他就是，遼寧省副省長(zhǎng)、沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心主任、中國(guó)科學(xué)院院士盧柯！ 

鐘情于金屬表面納米化，手握12篇Science、1篇Nature

盧柯院士一直深耕于非晶態(tài)金屬的晶化動(dòng)力學(xué)及其微觀機(jī)制，專(zhuān)注于金屬表面納米化技術(shù)，并取得了一系列顛覆性的成果：2000年，盧柯院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)納米金屬銅的一項(xiàng)“神奇”性能：在室溫下，納米金屬銅具有超塑延展性而沒(méi)有加工硬化效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)幫助盧柯院士在金屬材料的世界權(quán)威領(lǐng)域打開(kāi)了一扇窗，研究成果發(fā)表在頂級(jí)期刊《Science》上。隨后，2003年和2004年，《Science》兩次刊登盧柯院士課題組的最新研究成果：利用表面納米化技術(shù)將鐵表層的晶粒細(xì)化到納米尺度，以及發(fā)現(xiàn)納米孿晶。

此后，盧柯院士課題組在納米金屬穩(wěn)定性領(lǐng)域的高質(zhì)量成果頻出：2011年發(fā)現(xiàn)梯度納米金屬銅兼具高的強(qiáng)度和優(yōu)異的拉伸塑性，揭示了納米金屬的本征塑性和變形機(jī)制；2017年發(fā)現(xiàn)了納米晶強(qiáng)化新機(jī)制；2018年發(fā)現(xiàn)納米晶熱穩(wěn)定性的反常晶粒尺寸效應(yīng)；2020年，首次發(fā)現(xiàn)具有10nm極細(xì)晶粒的多晶銅的最小界面結(jié)構(gòu)，即另一種亞穩(wěn)態(tài)--Schwarz晶體。這些顛覆性的成果無(wú)一例外都登上了無(wú)數(shù)人夢(mèng)寐以求的《Science》期刊上。截至目前，盧柯院士已經(jīng)發(fā)表12篇Science、1篇Nature！

深挖Schwarz晶體，一年后再發(fā)《Science》！

2020年，中科院金屬所李秀艷研究員和盧柯院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬，首次發(fā)現(xiàn)具有極細(xì)晶粒的多晶銅的一種全新亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。研究表明，通過(guò)應(yīng)變將晶粒尺寸減小到幾個(gè)納米之后，多晶中的晶界會(huì)演化為受孿晶邊界網(wǎng)絡(luò)約束的三維最小界面結(jié)構(gòu)，這種多晶結(jié)構(gòu)又被稱(chēng)為Schwarz晶體。（詳細(xì)報(bào)道：盧柯今日再發(fā)《Science》）

圖1. Schwarz晶體的原子模型

近日，李秀艷研究員和盧柯院士團(tuán)隊(duì)再次在《Science》發(fā)表了課題組在納米晶材料穩(wěn)定性方面的重要研究進(jìn)展，解決了高溫下金屬中高原子擴(kuò)散率帶來(lái)的不穩(wěn)定性的技術(shù)難題。研究發(fā)現(xiàn)，Schwarz晶體可有效抑制具有極細(xì)晶粒的過(guò)飽和鋁鎂合金中的原子擴(kuò)散。通過(guò)形成這些穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，納米晶粒的擴(kuò)散控制金屬間化合物析出及其粗化被抑制到平衡熔化溫度。在平衡熔化溫度附近，其表觀跨界擴(kuò)散率降低了大約七個(gè)數(shù)量級(jí)！這一發(fā)現(xiàn)對(duì)開(kāi)發(fā)用于高溫應(yīng)用的工程合金具有重要意義。

相關(guān)論文以題為“Constrained minimal-interface structures in polycrystalline copper with extremely fine grains”于2021年8月6日發(fā)表在頂級(jí)期刊《Science》上。值得注意的是，這是盧柯院士的第13篇《Science》，也是李秀艷研究員和盧柯院士為共同通訊作者，發(fā)表的第3篇《Science》。

好壞摻半，高原子擴(kuò)散率稱(chēng)為納米金屬合金高溫下不穩(wěn)定的“元兇”

金屬材料之所以能夠在各種長(zhǎng)度尺度上具有良好的結(jié)構(gòu)可調(diào)性，主要?dú)w功于其結(jié)構(gòu)中較高的原子擴(kuò)散率。這一特征允許在合成和后續(xù)處理過(guò)程中通過(guò)調(diào)整擴(kuò)散控制過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控的目的。

凡事有利皆有弊。也是由于金屬中的高原子擴(kuò)散率，具有納米尺寸晶粒的金屬合金在高溫下變得極不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。這種不穩(wěn)定性成為金屬材料發(fā)展的主要瓶頸，極大地限制了它們?cè)诟邷叵碌募夹g(shù)應(yīng)用。

雖然通過(guò)制造單晶或重合金化來(lái)消除擴(kuò)散界面是降低原子擴(kuò)散率的標(biāo)準(zhǔn)策略，但即使在單晶金屬中，在高同系溫度下也無(wú)法抑制高擴(kuò)散率。

因此，如何阻止高溫下原子在金屬中的擴(kuò)散十分具有挑戰(zhàn)性。

Schwarz 晶體結(jié)構(gòu)“鎖住”原子，獲得了高溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鋁鎂納米合金

在2020年發(fā)現(xiàn)Schwarz 晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，盧柯院士團(tuán)隊(duì)成員便注意到：盡管Schwarz 晶體包含極高密度的界面，但這種結(jié)構(gòu)在接近熔點(diǎn)的高溫下表現(xiàn)出非常高的熱穩(wěn)定性，以防止晶粒粗化。于是，便起了好奇之心：這種穩(wěn)定的Schwarz 晶體結(jié)構(gòu)是否能夠在高溫下抑制合金中原子的擴(kuò)散？

研究人員首先通過(guò)高壓扭轉(zhuǎn)裝置在 77 K 靜水壓力為 10 GPa下使得單相過(guò)飽和的Al-Mg合金變形。當(dāng)施加的應(yīng)變超過(guò)~20 GPa，Al-Mg合金樣品在結(jié)構(gòu)上被細(xì)化到納米級(jí)，形成了具有隨機(jī)取向的近似等軸納米尺寸的晶粒（8 nm，樣品命名為 SC-8；圖 1A）。下載化學(xué)加APP，閱讀更有效率！

圖2. 所制備的 SC-8 樣品的結(jié)構(gòu)表征。

研究發(fā)現(xiàn)，這種最小界面結(jié)構(gòu)不僅能夠使過(guò)飽和的Al-Mg合金中的原子表觀跨界擴(kuò)散率降低了大約七個(gè)數(shù)量級(jí)，而且合金結(jié)構(gòu)在高于熔點(diǎn)的溫度下保持不變！

圖3. 高溫下SC-8樣品的晶格常數(shù)和晶粒尺寸的穩(wěn)定性。

這到底是怎么回事呢？

原來(lái)，Schwarz 晶體在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是具有由雙邊界約束的零平均曲率的最小界面，這些界面對(duì)熱和機(jī)械載荷非常穩(wěn)定。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，在 Schwarz 晶體結(jié)構(gòu)中，界面上的原子被限制在其靜止位置附近振動(dòng)，以在升高的溫度下甚至在熔點(diǎn)附近保持穩(wěn)定的最小界面。這種約束非常有效，導(dǎo)致原子與其靜止位置不會(huì)產(chǎn)生較大偏差的劇烈振蕩，從而限制了原子的局部集體運(yùn)動(dòng)。

換句話(huà)說(shuō)，Schwarz 晶體結(jié)構(gòu)能夠約束原子在其靜止位置附近振動(dòng)，而非劇烈振蕩，極大地降低了界面原子從其靜止位置逃逸的可能性。

圖4.  過(guò)飽和 Al-Mg 納米合金退火時(shí)的元素分布。

“我們?cè)谶@種過(guò)飽和 Al-Mg 合金中的觀察結(jié)果與之前觀察到的純 Cu Schwarz 晶體樣品中納米晶粒粗化被抑制直至熔點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)相呼應(yīng)，這是一個(gè)自擴(kuò)散控制過(guò)程?！氨R柯院士說(shuō)道，

“金屬中Schwarz晶體結(jié)構(gòu)的無(wú)擴(kuò)散特征對(duì)于理解界面中的基本擴(kuò)散過(guò)程和固態(tài)傳輸動(dòng)力學(xué)非常重要，尤其是在高溫下。Schwarz 晶體似乎為阻止原子在金屬和替代合金中的擴(kuò)散提供了強(qiáng)大的屏障，提高了在熔化溫度下的穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性比傳統(tǒng)合金高得多。”

Xu et al., Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure in supersaturated Al–Mg alloys. Science 373, 683–687 (2021).

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