“有幾年，納米金屬領(lǐng)域已死的說法非常流行。很多人認為納米結(jié)構(gòu)在金屬中不穩(wěn)定，但盧柯院士始終不放棄，并取得了一定成果?！弊罱R柯團隊發(fā)表了第15篇《科學》論文，其團隊成員中科院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心李秀艷研究員表示，此次再發(fā)《科學》和盧院士在逆境中依然堅定方向密不可分。

相關(guān)論文以《用Schwarz晶體結(jié)構(gòu)抑制過飽和Al-Mg合金中的原子擴散》為題正式面世，該成果攻克了高溫下金屬中高原子擴散率導致不穩(wěn)定性的難題。

相關(guān)論文

此次盧柯團隊發(fā)現(xiàn)了一種新結(jié)構(gòu)，攻克了高溫下金屬高原子擴散率帶來的不穩(wěn)定性難題。李秀艷表示，高原子擴散率是金屬的常見特征，高溫下的金屬結(jié)構(gòu)因此會變得不穩(wěn)定。

其表示，金屬通常以多晶體形式存在，內(nèi)部包含大量晶界面;由于晶界區(qū)原子往往呈雜亂無序的排列，使多晶體的穩(wěn)定性遠低于完整晶體（單晶體）。晶粒尺寸越小晶界原子比越大，多晶體的穩(wěn)定性就越低。

對于某些金屬合金，當晶粒尺寸減小到足夠小時比如幾納米，整個多晶體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，形成一種亞穩(wěn)的非晶態(tài)固體。但通常非晶固態(tài)只在有限的合金成分范圍內(nèi)才能形成，所以材料科學和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域長期以來存在一個重要的基礎(chǔ)性問題：在多晶體晶粒尺寸不斷減小、并接近某極限值如原子尺寸之前，是否還存在別的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)？

對于結(jié)構(gòu)相同而取向不同的晶粒之間的界面、也就是對于晶界來說，當溫度達到熔點的0.5倍以上，晶界上的擴散就很明顯，進而會產(chǎn)生晶界遷移、即晶界長大的行為，從而導致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。而結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定會導致金屬力學性能喪失，因此多晶體金屬在熔點0.5倍以上的溫度就很難使用。

對于該問題的解決，盧柯團隊于2020年在《科學》發(fā)表了一篇論文，主要成果是在金屬中發(fā)現(xiàn)了一種新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，并將其命名為Schwarz crystal。

事實上，這是一個數(shù)學上的微分幾何概念，其結(jié)構(gòu)的特點在于里面有晶界，但是相比一般晶界，它會自動演化成數(shù)學上的概念極小面（音），極小面的特征在于平均曲率是零，因此這時的晶界會處于很穩(wěn)定的狀態(tài)。

（a）受限晶體Cu形貌圖;（b）分子動力學模擬受限晶體結(jié)構(gòu)圖：（c）呈現(xiàn)截角八面體特征的極小尺寸晶粒形貌及模擬對應(yīng)結(jié)構(gòu)：（d）純Cu晶粒粗化溫度與強度隨晶粒尺寸的變化，受限晶體呈現(xiàn)出接近熔點的超高穩(wěn)定性和接近理想強度的高強度

該團隊將納米晶體銅的晶粒尺寸細化到幾納米，它的晶界網(wǎng)絡(luò)可演化成極小面的結(jié)構(gòu)。一直加熱到接近熔點的溫度，晶界也沒有動，相當于它的結(jié)構(gòu)在熔點以下都保持著穩(wěn)定性，同時材料的強度也非常高。

而在本次成果中，抑制原子擴散率是極小面晶界的又一個效應(yīng)，這種效應(yīng)和之前發(fā)現(xiàn)的高穩(wěn)定以及高強度一脈相承，但這次展現(xiàn)的是在合金中的效應(yīng)。也就是說，該團隊演示了晶界的極小面結(jié)構(gòu)，并且在合金等其他材料中也可以制備出來，這說明Schwarz crystal結(jié)構(gòu)具有廣泛存在的特征。

普通晶界是無序的，所以它的原子可動性強，但是極小面晶界因為要保持平衡曲率為零，所以它的原子受幾何約束，運動規(guī)律發(fā)生了改變。

將鋁合金的熔點提高60攝氏度左右

談及潛在應(yīng)用，李秀艷表示，舉例來說發(fā)動機要用高溫合金，因此大家都希望它的使用溫度越高越好。以變形高溫合金為例，它們使用的溫度相對較低，一般達到750攝氏度就難以工作。如果把晶界網(wǎng)絡(luò)做成極小面，晶界穩(wěn)定性、力學性能以及使用溫度都會大幅提高。

再以鋁合金為例，鋁的熔點比較低，因此鋁合金的使用溫度也比較低，目前一般不超過250攝氏度，因此本身就很難通過塑性變形做成納米尺度的合金。

而在該研究中，利用自研的制備方法獲得了鋁合金Schwarz crystal，既能抑制鋁原子穿過晶界的擴散，還能提高鋁合金的使用溫度，甚至合金的熔化都被抑制了，在此次報道的Al-Mg合金中，熔點提高了60多攝氏度。而對于一般合金的熔化，很難通過其他方式來抑制。

雖然他們已經(jīng)制備出來了納米尺寸的鋁合金樣品。但是要想應(yīng)用在工業(yè)上，首先面臨的問題是如何把樣品做大。

仍存在待挖掘的奇特性質(zhì)

該團隊表示，極小面上原子可被抑制的特性，暗示著原子在振動上存在特殊性，而這可能和它的導熱能力以及原子振動相關(guān)，因此他們計劃將來進一步挖掘。

而之所以再次登上《科學》，其一是因為抑制原子擴散這一性能引起了審稿人的極大興趣;其二這本身也是2020年該課題組的《科學》論文的延續(xù)，展示了Schwarz crystal的廣泛性和普適性。

不過所有科研成果都并非一蹴而就，一開始該團隊發(fā)現(xiàn)Al-Mg合金中的析出相和晶粒長大被抑制住，還好理解。但當合金的熔點提升時，并且一下子提升了60多攝氏度，這讓他們一度懷疑實驗結(jié)果有誤。

后來又反復做實驗，發(fā)現(xiàn)原來是擴散的問題。李秀艷表示，盧柯院士經(jīng)常對團隊強調(diào)，當你發(fā)現(xiàn)自己的成果很顛覆，那一定要反復做實驗檢查其可重復性。

概括來說，該團隊利用大量精細實驗并結(jié)合模擬計算發(fā)現(xiàn)，當晶粒尺寸降低到幾納米時，純金屬銅多晶體會形成一種新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)——Schwarz crystal（受限晶體）結(jié)構(gòu)。采用兩步低溫塑性變形技術(shù)，成功將純銅晶粒尺寸降低至10nm以下;結(jié)合實驗觀察和分子動力學模擬，發(fā)現(xiàn)這種極細晶粒之間的界面具有一種極小界面結(jié)構(gòu)特征，被稱為Schwarz-D界面，其平均曲率為零，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很強。

同時，晶粒中大量低能孿晶界又進一步約束了這種極小界面，使其穩(wěn)定性更高。因此，這種具有孿晶限制的極小界面結(jié)構(gòu)的多晶體能表現(xiàn)出極高的熱穩(wěn)定性和力學穩(wěn)定性。

此次受限晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，為探索固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本特征及其新性能開辟了一個全新空間，也為研發(fā)高穩(wěn)定性金屬材料及制造工藝提供新機遇和新挑戰(zhàn)。

盧柯參加學術(shù)交流

李秀艷

另據(jù)悉，盧柯今年56歲，目前是中科院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心主任?；仡欉^往，三十多年來盧柯成績不斷，并一直聚焦在納米金屬，梯度結(jié)構(gòu)和納米孿晶都是其代表性成果。他不盲目追趕熱點研究，但遇到重要的科學問題也會非常重視。也從不急于求成，而是帶著耐心做長線布局。

從1990年1月博士畢業(yè)后留在中科院金屬研究所，盧柯在這里已經(jīng)工作31年。李秀艷表示，中科院金屬所成立于20世紀50年代，首任所長是李薰院士，當時在北京和沈陽兩個選址地點中，選擇了沈陽。

沈陽至今都是國內(nèi)領(lǐng)先的重工業(yè)基地，這里也有鞍鋼、本鋼等鋼鐵巨頭，此外沈陽的材料業(yè)、裝備制造業(yè)也很出色。建所幾十年間，科學家們的研究也和當?shù)匕l(fā)展緊密結(jié)合。

關(guān)于此盧柯曾告訴媒體：“對遼寧來說，全省工業(yè)增加值的2/3來自與材料關(guān)系密切的裝備制造、冶金、化工三大行業(yè)。我們要促進原創(chuàng)，要補基礎(chǔ)，從整個科學基礎(chǔ)、技術(shù)基礎(chǔ)補起，從根上抓起，努力把沈陽材料科學國家研究中心建成世界級高水平的研究平臺?！保ňC合整理報道）（編輯/萊西）