16岁上大学，38岁当选院士，卢柯今日再发《Science》，第13篇！

FUTURE | 远见

FUTURE | 远见 闵青云 选编

他，16岁上大学，30岁当博导，32岁担任国家重点实验室主任，36岁出任中科院金属研究所所长，38岁增选为中国科学院院士，40岁当选德国科学院院士，41岁成为美国《Science》杂志的首位中国评审编辑，48岁成为中国「万人计划」首批杰出人才的6位人选之一，53岁当选为美国科学院外籍院士。

他，从本科到博士研究生，一直都在国内接受教育，是地地道道由中国本土培养出来的世界顶级科学家，妥妥的一枚「中国制造」。2020年获得未来科学大奖「物质科学奖」， 以奖励他开创性的发现和利用纳米孪晶结构及梯度纳米结构以实现铜金属的高强度、高韧性和高导电性。

他就是，辽宁省副省长、沈阳材料科学国家研究中心主任、中国科学院院士卢柯！

卢柯院士

钟情于金属表面纳米化，手握12篇Science、1篇Nature

卢柯院士一直深耕于非晶态金属的晶化动力学及其微观机制，专注于金属表面纳米化技术，并取得了一系列颠覆性的成果：2000年，卢柯院士带领团队发现纳米金属铜的一项「神奇」性能：在室温下，纳米金属铜具有超塑延展性而没有加工硬化效应。这一发现帮助卢柯院士在金属材料的世界权威领域打开了一扇窗，研究成果发表在顶级期刊《Science》上。随后，2003年和2004年，《Science》两次刊登卢柯院士课题组的最新研究成果：利用表面纳米化技术将铁表层的晶粒细化到纳米尺度，以及发现纳米孪晶。

此后，卢柯院士课题组在纳米金属稳定性领域的高质量成果频出：2011年发现梯度纳米金属铜兼具高的强度和优异的拉伸塑性，揭示了纳米金属的本征塑性和变形机制；2017年发现了纳米晶强化新机制；2018年发现纳米晶热稳定性的反常晶粒尺寸效应；2020年，首次发现具有10nm极细晶粒的多晶铜的最小界面结构，即另一种亚稳态--Schwarz晶体。这些颠覆性的成果无一例外都登上了无数人梦寐以求的《Science》期刊上。截至目前，卢柯院士已经发表12篇Science、1篇Nature！

深挖Schwarz晶体，一年后再发《Science》！

2020年，中科院金属所李秀艳研究员和卢柯院士团队通过实验和分子动力学模拟，首次发现具有极细晶粒的多晶铜的一种全新亚稳态结构。研究表明，通过应变将晶粒尺寸减小到几个纳米之后，多晶中的晶界会演化为受孪晶边界网络约束的三维最小界面结构，这种多晶结构又被称为Schwarz晶体。

图1 Schwarz晶体的原子模型

近日，李秀艳研究员和卢柯院士团队再次在《Science》发表了课题组在纳米晶材料稳定性方面的重要研究进展，解决了高温下金属中高原子扩散率带来的不稳定性的技术难题。研究发现，Schwarz晶体可有效抑制具有极细晶粒的过饱和铝镁合金中的原子扩散。通过形成这些稳定的结构，纳米晶粒的扩散控制金属间化合物析出及其粗化被抑制到平衡熔化温度。在平衡熔化温度附近，其表观跨界扩散率降低了大约七个数量级！这一发现对开发用于高温应用的工程合金具有重要意义。

相关论文以题为「Constrained minimal-interface structures in polycrystalline copper with extremely fine grains 」于2021年8月6日发表在顶级期刊《Science》上。值得注意的是，这是卢柯院士的第13篇《Science》，也是李秀艳研究员和卢柯院士为共同通讯作者，发表的第3篇《Science》。

好坏掺半，高原子扩散率称为纳米金属合金高温下不稳定的「元凶」

金属材料之所以能够在各种长度尺度上具有良好的结构可调性，主要归功于其结构中较高的原子扩散率。这一特征允许在合成和后续处理过程中通过调整扩散控制过程，从而实现对其结构和性质进行调控的目的。

凡事有利皆有弊。也是由于金属中的高原子扩散率，具有纳米尺寸晶粒的金属合金在高温下变得极不稳定，结构会发生变化。这种不稳定性成为金属材料发展的主要瓶颈，极大地限制了它们在高温下的技术应用。

虽然通过制造单晶或重合金化来消除扩散界面是降低原子扩散率的标准策略，但即使在单晶金属中，在高同系温度下也无法抑制高扩散率。

因此，如何阻止高温下原子在金属中的扩散十分具有挑战性。

Schwarz 晶体结构「锁住」原子，获得了高温下结构稳定的铝镁纳米合金

在2020年发现Schwarz 晶体结构时，卢柯院士团队成员便注意到：尽管Schwarz 晶体包含极高密度的界面，但这种结构在接近熔点的高温下表现出非常高的热稳定性，以防止晶粒粗化。于是，便起了好奇之心：这种稳定的Schwarz 晶体结构是否能够在高温下抑制合金中原子的扩散？

研究人员首先通过高压扭转装置在 77 K 静水压力为 10 GPa下使得单相过饱和的Al-Mg合金变形。当施加的应变超过~20 GPa，Al-Mg合金样品在结构上被细化到纳米级，形成了具有随机取向的近似等轴纳米尺寸的晶粒（8 nm，样品命名为 SC-8；图 1A）。

图2 所制备的 SC-8 样品的结构表征

研究发现，这种最小界面结构不仅能够使过饱和的Al-Mg合金中的原子表观跨界扩散率降低了大约七个数量级，而且合金结构在高于熔点的温度下保持不变！

图3 高温下SC-8样品的晶格常数和晶粒尺寸的稳定性

这到底是怎么回事呢？

原来，Schwarz 晶体在结构上的特点是具有由双边界约束的零平均曲率的最小界面，这些界面对热和机械载荷非常稳定。分子动力学模拟表明，在 Schwarz 晶体结构中，界面上的原子被限制在其静止位置附近振动，以在升高的温度下甚至在熔点附近保持稳定的最小界面。这种约束非常有效，导致原子与其静止位置不会产生较大偏差的剧烈振荡，从而限制了原子的局部集体运动。

换句话说，Schwarz 晶体结构能够约束原子在其静止位置附近振动，而非剧烈振荡，极大地降低了界面原子从其静止位置逃逸的可能性。

图4 过饱和 Al-Mg 纳米合金退火时的元素分布

「我们在这种过饱和 Al-Mg 合金中的观察结果与之前观察到的纯 Cu Schwarz 晶体样品中纳米晶粒粗化被抑制直至熔点的发现相呼应，这是一个自扩散控制过程。」卢柯院士说道，

「金属中Schwarz晶体结构的无扩散特征对于理解界面中的基本扩散过程和固态传输动力学非常重要，尤其是在高温下。Schwarz 晶体似乎为阻止原子在金属和替代合金中的扩散提供了强大的屏障，提高了在熔化温度下的稳定性。这种稳定性比传统合金高得多。」

参考文献：

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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