徐賽

近10多年，先進(jìn)材料研究成果密集涌現(xiàn)，專家甚至斷言，21世紀(jì)將是材料“革命”的時(shí)代。在21世紀(jì)最重要的三大科技領(lǐng)域之一的材料學(xué)，核心問(wèn)題是結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系問(wèn)題，即材料的性能是如何通過(guò)結(jié)構(gòu)來(lái)影響和調(diào)控的。

而要實(shí)現(xiàn)，必須倚仗電子顯微鏡，研究材料的微觀結(jié)構(gòu)及其缺陷，從而建立材料結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在關(guān)系?！艾F(xiàn)在，我和我的同事、學(xué)生每天都會(huì)在材料中看到大量的整齊排列的原子，我們都認(rèn)為這是一個(gè)非常令人興奮的事業(yè)。”中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員、博士生導(dǎo)師馬秀良說(shuō)，當(dāng)初開(kāi)啟這項(xiàng)事業(yè)源于1篇碩士論文。

時(shí)間再倒回上世紀(jì)的1959年，就讀于英國(guó)劍橋大學(xué)Cavendish實(shí)驗(yàn)室的R.C.Hudd完成了一篇有關(guān)鋁合金中晶體相的碩士論文。在文章中，作者闡述了一系列重大發(fā)現(xiàn)，但還有一些新穎的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在當(dāng)時(shí)卻無(wú)法解釋，于是便打了問(wèn)號(hào)放在了那里。整整30年后，一個(gè)血?dú)夥絼偟哪贻p人立志要解開(kāi)那些問(wèn)號(hào)之謎，他就是馬秀良。

師恩難忘

1988年，馬秀良畢業(yè)于大連理工大學(xué)材料工程系。次年，他師從著名科學(xué)家、教育家郭可信院士，在中國(guó)科學(xué)院北京電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室及大連理工大學(xué)從事Al基合金中十次對(duì)稱準(zhǔn)晶及相關(guān)晶體相的電子顯微學(xué)研究。

1989～1994年間，他發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的準(zhǔn)晶體（Al-Co合金系）。“這是可形成穩(wěn)定十次對(duì)稱準(zhǔn)晶的唯一的二元合金體系”。又是20多年過(guò)去，如今回憶起當(dāng)年的發(fā)現(xiàn)，馬秀良仍飽含興奮之情。后來(lái)，他在此基礎(chǔ)上制備出毫米量級(jí)十次準(zhǔn)晶單晶體并與中國(guó)科學(xué)院物理所的科學(xué)家一道測(cè)得其有別于傳統(tǒng)晶體的獨(dú)特物理性能數(shù)據(jù)。

在Al合金中，馬秀良先后花了10余年的時(shí)間一共發(fā)現(xiàn)了13種與準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的新物相，并將之歸納為單斜和正交兩大點(diǎn)陣群族；他建立系列新物相的結(jié)構(gòu)模型，提出了“準(zhǔn)晶相是上述兩大晶體群族中共有的極限成員（單胞無(wú)窮大）”重要觀點(diǎn)。

這些重大研究發(fā)現(xiàn)，一方面極大地豐富了早期人們通過(guò)X射線衍射方法建立起來(lái)的合金平衡相圖，另一方面也為一些Al合金的成分設(shè)計(jì)以及合金使役行為的研究提供了重要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)信息。

在那之后，馬秀良的研究成果受到了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注，他也因此獲得了美國(guó)ISI（Institute for Scientific Information）經(jīng)典引文獎(jiǎng)和國(guó)家教育部科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

對(duì)于這一切，馬秀良很感謝郭可信院士（1923～2006）。他總是很尊敬地稱呼老師為“郭先生”，的確，郭先生是一位值得世人敬佩的前輩。上世紀(jì)50年代，郭先生在祖國(guó)的召喚下毅然回國(guó)投身祖國(guó)的建設(shè)，到了80、90年代，我國(guó)的準(zhǔn)晶研究在他的帶領(lǐng)下已處于國(guó)際領(lǐng)先地位。曾留學(xué)海外的郭先生親身體驗(yàn)到西方科技先進(jìn)的一面，“像我這樣在他那里拿了博士學(xué)位的年輕人，他還是希望能有機(jī)會(huì)走出去看看，學(xué)習(xí)西方一些先進(jìn)的知識(shí)”，馬秀良訴說(shuō)著當(dāng)年的點(diǎn)滴。

對(duì)家的回報(bào)

在攻讀博士學(xué)位期間，馬秀良在郭先生的指導(dǎo)下曾在美國(guó)的《冶金會(huì)刊》以及英國(guó)的《哲學(xué)雜志》上連續(xù)發(fā)表5篇學(xué)術(shù)論文，這些工作在當(dāng)時(shí)準(zhǔn)晶研究領(lǐng)域里具有一定的國(guó)際影響，以至于在他博士剛畢業(yè)時(shí)，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的一個(gè)冶金學(xué)實(shí)驗(yàn)室就主動(dòng)邀請(qǐng)馬秀良去那里做博士后，同時(shí)，德國(guó)多特蒙德大學(xué)的Uwe K?ster教授也向他伸出橄欖枝。面對(duì)兩份沉甸甸的邀請(qǐng)，馬秀良最終選擇了德國(guó)。

“原因有兩個(gè)，一是憑借那幾篇學(xué)術(shù)論文我順利獲得了在國(guó)際上頗具影響力的德國(guó)‘洪堡基金的資助；二是我是從事材料電子顯微學(xué)研究的，德國(guó)人在電子光學(xué)方面對(duì)世界的貢獻(xiàn)是巨大的，我也希望能近距離地感受一下。”殊不知，透射電子顯微鏡就是上世紀(jì)30年代德國(guó)人Ernst Ruska發(fā)明的，后來(lái)于1986年還獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。于是，1995年馬秀良西行遠(yuǎn)赴德國(guó)深造。

剛到德國(guó)的馬秀良頓感大開(kāi)眼界。先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件，使他興奮得好似如魚得水；還有德國(guó)人做事的認(rèn)真和德國(guó)教授治學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)至今讓馬秀良難忘?！拔彝蝗幻靼坠壬欠N嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度與他早期留學(xué)歐洲的經(jīng)歷不無(wú)關(guān)系”，這也使馬秀良倍加珍惜這份難得的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

在德國(guó)期間，馬秀良主要還是從事金屬結(jié)構(gòu)材料的電子顯微學(xué)研究。他的合作教授K?ster曾畢業(yè)于德國(guó)的哥廷根大學(xué)，在冶金學(xué)和材料熱力學(xué)方面都具有很高的學(xué)術(shù)造詣。他們便結(jié)合各自的專長(zhǎng)，合作撰寫了幾篇學(xué)術(shù)論文并發(fā)表在國(guó)際期刊上。

1997年，馬秀良轉(zhuǎn)赴位于名古屋的日本精細(xì)陶瓷研究中心，后來(lái)又到了東京大學(xué)，期間的合作對(duì)象一直是日本著名的電子顯微學(xué)家Yuichi Ikuhara教授。在日本，他的研究?jī)?nèi)容又是另一番景象——從在德國(guó)時(shí)的金屬結(jié)構(gòu)材料轉(zhuǎn)為先進(jìn)功能材料，“研究?jī)?nèi)容的轉(zhuǎn)變無(wú)疑擴(kuò)展了我的研究領(lǐng)域?！苯Y(jié)構(gòu)材料是指那些主要利用其力學(xué)性能的材料，如建筑、橋梁、汽車等方面用的鋼鐵材料、鋁合金材料、鈦合金材料；而功能材料是指那些主要利用其物理或化學(xué)性能的材料，如電腦及半導(dǎo)體領(lǐng)域中用的芯片等，這二者有著本質(zhì)的區(qū)別。就這樣，馬秀良在不同的材料間探索著未知的奧秘。

無(wú)論在德國(guó)還是在日本，馬秀良都收獲頗多。他最大且最直觀的感受就是，做科研，尤其是基礎(chǔ)研究，應(yīng)注重國(guó)際交流。“在這樣的環(huán)境里我也有機(jī)會(huì)聆聽(tīng)各種學(xué)術(shù)講座，包括一些曾經(jīng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的國(guó)際學(xué)術(shù)大師的講座?！睗撘颇g，馬秀良不僅開(kāi)闊了視野，也提高了自身的學(xué)術(shù)品位。

“總之，在國(guó)外期間，我在享用高端實(shí)驗(yàn)設(shè)施的同時(shí)，更重要的是在治學(xué)理念上得以熏陶”，這些都無(wú)疑對(duì)他后來(lái)回國(guó)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展具有重要影響。

時(shí)光轉(zhuǎn)瞬即逝，2001年4月，馬秀良在香港完成了為期1年的訪問(wèn)學(xué)者計(jì)劃后攜一家三人回到了沈陽(yáng)。

那時(shí)總有人問(wèn)他，在國(guó)外做得好好的，為什么突然選擇回國(guó)？馬秀良也總回答說(shuō)，“這個(gè)道理很簡(jiǎn)單，回國(guó)就是回家，而回家是不需要什么理由的。我們每年春節(jié)有上億人不管路途多么遙遠(yuǎn)不管旅途多么艱難，都要往家里趕，為什么？那是對(duì)家的眷戀、對(duì)家的愛(ài)，也是對(duì)家人的義務(wù)。同樣，回國(guó)發(fā)展為國(guó)效力，為祖國(guó)的科學(xué)事業(yè)貢獻(xiàn)一份力量，那就是對(duì)家的回報(bào)。”

奧氏體不銹鋼點(diǎn)蝕形核機(jī)制的新認(rèn)識(shí)

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域具有重要國(guó)際影響的研究機(jī)構(gòu)，是我國(guó)高性能材料研究與發(fā)展的重要基地。2001年馬秀良到了金屬所后經(jīng)過(guò)多年的探索利用透射電子顯微鏡對(duì)不銹鋼點(diǎn)蝕形核機(jī)制有了新的認(rèn)識(shí)。

眾所周知，不銹鋼被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域以及人們的日常生活，具有高的抗均勻腐蝕能力，但其局部點(diǎn)狀腐蝕（即“點(diǎn)蝕”）卻難以避免。在石油、化工、核電等領(lǐng)域，點(diǎn)蝕容易造成管壁穿孔從而帶來(lái)巨大災(zāi)難。雖然業(yè)內(nèi)已普遍認(rèn)為，點(diǎn)蝕的發(fā)生起因于不銹鋼中硫化錳夾雜的局域溶解，但由于缺乏微小尺度的結(jié)構(gòu)信息，點(diǎn)蝕的形核位置一直被描述為“隨機(jī)和不可預(yù)測(cè)的”，所以，這也制約著人們對(duì)不銹鋼點(diǎn)蝕機(jī)理的認(rèn)識(shí)以及抗點(diǎn)蝕措施的改進(jìn)。

見(jiàn)此現(xiàn)狀的馬秀良便帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始用透射電子顯微技術(shù)對(duì)不銹鋼進(jìn)行觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在硫化錳夾雜中彌散分布著的一種氧化物納米八面體，他稱它們?yōu)槲⑿〉摹澳[瘤”。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，他觀察到這些氧化物納米顆粒作為電化學(xué)微電偶電池的陰極，在一定的介質(zhì)條件下會(huì)加速硫化錳的陽(yáng)極溶解。納米“腫瘤”的發(fā)現(xiàn)不僅為揭示不銹鋼點(diǎn)蝕的起始位置提供了直接證據(jù)，還使人們對(duì)不銹鋼點(diǎn)蝕機(jī)理的認(rèn)識(shí)從先前的微米尺度提升至納米甚至原子尺度，無(wú)論對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究還是工程合金的實(shí)際應(yīng)用都具有重要意義。

最近，在原子尺度認(rèn)識(shí)不銹鋼點(diǎn)蝕機(jī)理的基礎(chǔ)上，馬秀良團(tuán)隊(duì)在如何提高奧氏體不銹鋼的抗點(diǎn)蝕能力方面提出了一種新思路。他們采用含銅離子的特定溶液對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行一定時(shí)間的化學(xué)處理，使硫化錳表面發(fā)生陽(yáng)離子交換反應(yīng)，從而形成一層電極電位明顯高于硫化錳的Cu2-xS結(jié)構(gòu)。這樣做，可以使點(diǎn)蝕形核率降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，而且不影響不銹鋼表面原有的鈍化膜結(jié)構(gòu)。

他說(shuō)，這種在原子尺度結(jié)構(gòu)信息基礎(chǔ)上提出的“提高不銹鋼抗點(diǎn)蝕能力”的新方法有望以簡(jiǎn)捷、高效、低成本的形式在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。研究已得到國(guó)內(nèi)外本領(lǐng)域科學(xué)家的認(rèn)可，相關(guān)研究結(jié)果也相繼發(fā)表在具有重要影響力的國(guó)際學(xué)術(shù)刊物上。2010年7月，《科學(xué)時(shí)報(bào)》和《光明日?qǐng)?bào)》等多家媒體分別對(duì)這項(xiàng)工作進(jìn)行了報(bào)道。

鐵電材料領(lǐng)域的新突破

在對(duì)鐵電材料的研究方面，馬秀良也做出了重要貢獻(xiàn)。鐵電材料與鐵磁材料都具有極強(qiáng)的類比性，如類似的電（磁）滯回線、極化序參量以及疇結(jié)構(gòu)組態(tài)等，但相比于鐵磁領(lǐng)域的研究和應(yīng)用比較成熟的發(fā)展，鐵電材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究明顯滯后。

自1986年起，物理學(xué)家就相繼預(yù)測(cè)在一定的條件下鐵電材料中可能出現(xiàn)通量全閉合結(jié)構(gòu)，且理論上該結(jié)構(gòu)可帶來(lái)超高密度的信息存儲(chǔ)功能。盡管通量全閉合結(jié)構(gòu)在鐵磁材料中已獲得普遍認(rèn)識(shí)，但經(jīng)過(guò)近30年的探索，在鐵電材料中卻一直沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

其主要困難還在于鐵電材料中通量全閉合結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致巨大的晶格應(yīng)變。所以，如何突破鐵電極化與晶格應(yīng)變的相互制約，實(shí)現(xiàn)極化反轉(zhuǎn)與晶格應(yīng)變的有效調(diào)控，獲得有望用于超高密度信息存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)單元，是當(dāng)今鐵電材料領(lǐng)域面臨的一個(gè)重大基礎(chǔ)性科學(xué)難題。

這次，馬秀良同樣選擇了迎難而上。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通過(guò)逆向思維設(shè)計(jì)，實(shí)施應(yīng)變調(diào)控在鈧酸鹽襯底上制備出一系列超薄的PbTiO3鐵電薄膜，利用具有原子尺度分辨能力的像差校正電子顯微術(shù)，不僅發(fā)現(xiàn)通量全閉合疇結(jié)構(gòu)及其新奇的原子構(gòu)型圖譜，而且觀察到由順時(shí)針和逆時(shí)針閉合結(jié)構(gòu)交替排列所構(gòu)成的大尺度周期性陣列。

在此基礎(chǔ)上，他們揭示了周期性閉合結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在一定的薄膜厚度范圍內(nèi)由通量閉合結(jié)構(gòu)構(gòu)成的周期性陣列的周期大小與薄膜厚度之間成比值約為的線性關(guān)系。另外，他們還成功推導(dǎo)出閉合結(jié)構(gòu)核心處超大的應(yīng)變梯度以及整個(gè)閉合結(jié)構(gòu)中巨大的長(zhǎng)程彈性應(yīng)變梯度。

2015年4月16日，美國(guó)《Science》雜志率先通過(guò)“Science Express”在線發(fā)表了該項(xiàng)研究成果，并在2015年的5月1日正式刊登發(fā)表。另外，值得一提的是，2015年正值中國(guó)科學(xué)院金屬研究所固體原子像實(shí)驗(yàn)室自1985年由郭先生和葉恒強(qiáng)院士等人建立30周年，對(duì)于這一突破性的進(jìn)展，在馬秀良看來(lái)“應(yīng)該說(shuō)是給實(shí)驗(yàn)室30歲生日的最好禮物?！?/p>

鐵電材料中通量全閉合結(jié)構(gòu)以及核心處巨大彎電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，無(wú)外乎是將鐵電薄膜器件的設(shè)計(jì)和研發(fā)推向一個(gè)新的高度，為探索基于鐵電材料的高密度信息存儲(chǔ)器提供了新途徑。同時(shí)，研究證實(shí)了巨大的彈性應(yīng)變梯度可以通過(guò)多層膜的形式保存下來(lái)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)物理性能的連續(xù)調(diào)控，為新型梯度功能材料的設(shè)計(jì)提供了新思路。

團(tuán)隊(duì)“大家庭”

如今的馬秀良，曾獲國(guó)家教育部科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2000年入選中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”、2003年獲得國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、2009年入選新世紀(jì)百千萬(wàn)人才國(guó)家級(jí)人選。面對(duì)豐碩的成果，馬秀良清楚地看到，一個(gè)人的力量總是有限的，離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)的合作與支持。他坦言，“現(xiàn)在每每提到我的研究團(tuán)隊(duì)，我總是感到欣慰”。

經(jīng)過(guò)14年的發(fā)展，目前研究團(tuán)隊(duì)成員將近40人，其中固定在編人員10人（其中7人已具有副高級(jí)以上專業(yè)技術(shù)職稱），其他都為博士后及博士生和碩士生。這在中科院所屬的研究所基礎(chǔ)研究領(lǐng)域里無(wú)疑是一支超大規(guī)模的團(tuán)隊(duì)。“站在基礎(chǔ)研究的國(guó)際前沿，利用電子顯微技術(shù)解決一些材料領(lǐng)域中的重大基礎(chǔ)性科學(xué)難題”，是團(tuán)隊(duì)一直以來(lái)發(fā)展和奮斗的目標(biāo)。

2006年以來(lái)，馬秀良一直擔(dān)任固體原子像研究部主任，同時(shí)他也是國(guó)際和國(guó)內(nèi)多家學(xué)術(shù)期刊的編委。作為團(tuán)隊(duì)的核心，馬秀良平時(shí)很少對(duì)團(tuán)隊(duì)成員做非常具體的要求，而是盡可能給大家營(yíng)造一種寬松的學(xué)術(shù)氛圍，但在這種環(huán)境里每個(gè)人都有一種積極向上的力量?！拔乙苑蠂?guó)際慣例的學(xué)術(shù)理念，把大家推上一個(gè)快車道，在這個(gè)快車道上有那么幾個(gè)領(lǐng)頭羊，大家誰(shuí)也不甘落后、誰(shuí)也不甘掉隊(duì)。大家不以發(fā)表論文的數(shù)量多少論英雄，而以解決重大基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)?！闭沁@樣的良性循環(huán)，使團(tuán)隊(duì)始終處在一種螺旋式上升的發(fā)展趨勢(shì)中。

在這里，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這幕情景，博士生到畢業(yè)時(shí)間了而且也達(dá)到畢業(yè)要求了還遲遲不肯答辯，即使答辯畢業(yè)了也不愿意離開(kāi)，很多學(xué)生在博士畢業(yè)后把能夠留在研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)工作作為自己的追求。事實(shí)上，這支研究團(tuán)隊(duì)早已像一個(gè)大家庭，到處充滿了溫馨的家的氛圍。這一切也都源于馬秀良對(duì)學(xué)生們熱切的關(guān)心與默默的幫助。

眾所周知，我國(guó)在人才發(fā)展戰(zhàn)略方面，相關(guān)部門近年來(lái)相繼制定了一系列人才計(jì)劃，“我也是人才計(jì)劃的受益者”，馬秀良說(shuō)，“我非常欣慰地看到，一大批優(yōu)秀的年輕人相繼脫穎而出”，他相信，在接下來(lái)的10～20年，他們將是中國(guó)新材料研究的中堅(jiān)力量。所以，馬秀良也在不遺余力地為祖國(guó)不斷培養(yǎng)未來(lái)的人才力量。

對(duì)于學(xué)生的發(fā)展，馬秀良也傳承了郭先生的理念。近些年，他連續(xù)不斷地把年輕人送出國(guó)門，出國(guó)做短期訪問(wèn)或參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議。2011年暑期，他曾從十多個(gè)國(guó)家和地區(qū)邀請(qǐng)42位材料電子顯微學(xué)領(lǐng)域的知名學(xué)者到金屬研究所做了為期一周的專題學(xué)術(shù)講座，國(guó)內(nèi)外60余個(gè)研究機(jī)構(gòu)的350余人聆聽(tīng)了這些講座，“這極大地開(kāi)闊了團(tuán)隊(duì)成員的視野，同時(shí)也提高了我們自己的國(guó)際學(xué)術(shù)影響力?！?/p>

如今，研究部運(yùn)轉(zhuǎn)良好，各項(xiàng)科學(xué)研究也在緊張有序地進(jìn)行之中，但對(duì)于馬秀良來(lái)說(shuō)，如何合理安排時(shí)間成了擺在他面前最大的難題。“科學(xué)研究是我的主要職責(zé)，任何時(shí)候都要以科研工作為第一要?jiǎng)?wù)，跟蹤甚至引領(lǐng)本領(lǐng)域的國(guó)際前沿，不能有一點(diǎn)懈怠?！钡珜?shí)驗(yàn)室的日常工作，比如學(xué)科布局、科研項(xiàng)目的實(shí)施、實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)及優(yōu)秀人才的引進(jìn)也會(huì)占用他一定的科研時(shí)間。逐漸，馬秀良也有了清晰地認(rèn)識(shí)，“如何具體安排科研工作的時(shí)間，會(huì)隨著研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展的不同階段有所不同?！?/p>

“基礎(chǔ)研究不是一蹴而就的，需要長(zhǎng)期的學(xué)術(shù)積累，不可以急功近利”，在馬秀良看來(lái)，科學(xué)研究的原動(dòng)力是對(duì)探索未知的熱情，首先要有濃厚的興趣?！翱茖W(xué)家是一個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略高地，同時(shí)我也認(rèn)為科學(xué)家是一個(gè)非常浪漫的職業(yè)：做著國(guó)家和自己都感興趣的事情”。話語(yǔ)間，透露著馬秀良對(duì)他科研事業(yè)的熱愛(ài)，為此，他也愿意付出更多的艱辛與時(shí)間，繼續(xù)在電子顯微鏡下觀察那個(gè)神奇的世界。