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一路開掛的人生

他，16歲上大學(xué)，30歲當(dāng)博導(dǎo)，32歲擔(dān)任國家重點實驗室主任，36歲出任中科院金屬研究所所長，38歲增選為中國科學(xué)院院士，40歲當(dāng)選德國科學(xué)院院士，41歲成為美國《Science》雜志的首位中國評審編輯，48歲成為中國“萬人計劃”首批杰出人才的6位人選之一，53歲當(dāng)選為美國科學(xué)院外籍院士。

他，從本科到博士研究生，一直都在國內(nèi)接受教育，是地地道道由中國本土培養(yǎng)出來的世界頂級科學(xué)家，妥妥的一枚“中國制造”。2020年獲得未來科學(xué)大獎“物質(zhì)科學(xué)獎”， 以獎勵他開創(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)以實現(xiàn)銅金屬的高強度、高韌性和高導(dǎo)電性。

他就是，遼寧省副省長、沈陽材料科學(xué)國家研究中心主任、中國科學(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)金屬的晶化動力學(xué)及其微觀機制，專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)團隊發(fā)現(xiàn)納米金屬銅的一項“神奇”性能：在室溫下，納米金屬銅具有超塑延展性而沒有加工硬化效應(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)域打開了一扇窗，研究成果發(fā)表在頂級期刊《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制；2017年發(fā)現(xiàn)了納米晶強化新機制；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一例外都登上了無數(shù)人夢寐以求的《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隊通過實驗和分子動力學(xué)模擬，首次發(fā)現(xiàn)具有極細晶粒的多晶銅的一種全新亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。研究表明，通過應(yīng)變將晶粒尺寸減小到幾個納米之后，多晶中的晶界會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)又被稱為Schwarz晶體。（詳細報道：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隊再次在《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展，解決了高溫下金屬中高原子擴散率帶來的不穩(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晶粒的過飽和鋁鎂合金中的原子擴散。通過形成這些穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，納米晶粒的擴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，其表觀跨界擴散率降低了大約七個數(shù)量級！這一發(fā)現(xiàn)對開發(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，高原子擴散率稱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度尺度上具有良好的結(jié)構(gòu)可調(diào)性，主要歸功于其結(jié)構(gòu)中較高的原子擴散率。這一特征允許在合成和后續(xù)處理過程中通過調(diào)整擴散控制過程，從而實現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行調(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，極大地限制了它們在高溫下的技術(shù)應(yīng)用。

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

因此，如何阻止高溫下原子在金屬中的擴散十分具有挑戰(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，盧柯院士團隊成員便注意到：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散？

研究人員首先通過高壓扭轉(zhuǎn)裝置在 77 K 靜水壓力為 10 GPa下使得單相過飽和的Al-Mg合金變形。當(dāng)施加的應(yīng)變超過~20 GPa，Al-Mg合金樣品在結(jié)構(gòu)上被細化到納米級，形成了具有隨機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)不僅能夠使過飽和的Al-Mg合金中的原子表觀跨界擴散率降低了大約七個數(shù)量級，而且合金結(jié)構(gòu)在高于熔點的溫度下保持不變！

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，Schwarz 晶體在結(jié)構(gòu)上的特點是具有由雙邊界約束的零平均曲率的最小界面，這些界面對熱和機械載荷非常穩(wěn)定。分子動力學(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，以在升高的溫度下甚至在熔點附近保持穩(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動。

換句話說，Schwarz 晶體結(jié)構(gòu)能夠約束原子在其靜止位置附近振動，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.  過飽和 Al-Mg 納米合金退火時的元素分布。

“我們在這種過飽和 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的發(fā)現(xiàn)相呼應(yīng)，這是一個自擴散控制過程?！氨R柯院士說道，

“金屬中Schwarz晶體結(jié)構(gòu)的無擴散特征對于理解界面中的基本擴散過程和固態(tài)傳輸動力學(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散提供了強大的屏障，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?！?/span>

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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