38岁当选院士，卢柯发表第15篇Science，将铝合金熔点提高60多度 | 专访团队
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“有几年，纳米金属领域已死的说法非常流行。很多人认为纳米结构在金属中不稳定，但卢柯院士始终不放弃，并取得了一定成果。” 最近卢柯团队发表了第 15 篇 Science 论文，其团队成员中科院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心李秀艳研究员告诉 DeepTech，此次再发 Science 和卢院士在逆境中依然坚定方向密不可分。
图 | 卢柯（来源：资料图）
8月6日，相关论文以《用Schwarz 晶体结构抑制过饱和 Al-Mg 合金中的原子扩散》（Suppressing atomic diffusion with the Schwarzcrystal structure in supersaturated Al–Mg alloys）为题正式面世，该成果攻克了高温下金属中高原子扩散率导致不稳定性的难题。
图 | 相关论文（来源：受访者）
此次卢柯团队发现了一种新结构，攻克了高温下金属高原子扩散率带来的不稳定性难题。李秀艳告诉 DeepTech，高原子扩散率是金属的常见特征，高温下的金属结构因此会变得不稳定。
其表示，金属通常以多晶体形式存在，内部包含大量晶界面；由于晶界区原子往往呈杂乱无序的排列，使多晶体的稳定性远低于完整晶体（单晶体）。晶粒尺寸越小晶界原子比越大，多晶体的稳定性就越低。
对于某些金属合金，当晶粒尺寸减小到足够小时比如几纳米，整个多晶体结构失稳，形成一种亚稳的非晶态固体。但通常非晶固态只在有限的合金成分范围内才能形成，所以材料科学和凝聚态物理领域长期以来存在一个重要的基础性问题：在多晶体晶粒尺寸不断减小、并接近某极限值如原子尺寸之前，是否还存在别的亚稳态结构？
对于结构相同而取向不同的晶粒之间的界面、也就是对于晶界来说，当温度达到熔点的 0.5 倍以上，晶界上的扩散就很明显，进而会产生晶界迁移、即晶界长大的行为，从而导致结构不稳定。而结构不稳定会导致金属力学性能丧失，因此多晶体金属在熔点 0.5 倍以上的温度就很难使用。
图 | （a）受限晶体 Cu 形貌图；（b）分子动力学模拟受限晶体结构图；（c）呈现截角八面体特征的极小尺寸晶粒形貌及模拟对应结构；（d）纯 Cu 晶粒粗化温度与强度随晶粒尺寸的变化，受限晶体呈现出接近熔点的超高稳定性和接近理想强度的高强度（来源：受访者）
对于该问题的解决，卢柯团队于 2020 年在 Science 发表了一篇论文，主要成果是在金属中发现了一种新型亚稳结构，并将其命名为 Schwarz crystal。
事实上，这是一个数学上的微分几何概念，其结构的特点在于里面有晶界，但是相比一般晶界，它会自动演化成数学上的概念极小面（音），极小面的特征在于平均曲率是零，因此这时的晶界会处于很稳定的状态。
该团队将纳米晶体铜的晶粒尺寸细化到几纳米，它的晶界网络可演化成极小面的结构。一直加热到接近熔点的温度，晶界也没有动，相当于它的结构在熔点以下都保持着稳定性，同时材料的强度也非常高。
（来源：受访者）
而在本次成果中，抑制原子扩散率是极小面晶界的又一个效应，这种效应和之前发现的高稳定以及高强度一脉相承，但这次展现的是在合金中的效应。也就是说，该团队演示了晶界的极小面结构，并且在合金等其他材料中也可以制备出来，这说明 Schwarz crystal 结构具有广泛存在的特征。
普通晶界是无序的，所以它的原子可动性强，但是极小面晶界因为要保持平衡曲率为零，所以它的原子受几何约束，运动规律发生了改变。
将铝合金的熔点提高 60℃左右
谈及潜在应用李秀艳表示，举例来说发动机要用高温合金，因此大家都希望它的使用温度越高越好。以变形高温合金为例，它们使用的温度相对较低，一般达到 750℃就难以工作。如果把晶界网络做成极小面，晶界稳定性、力学性能以及使用温度都会大幅提高。
再以铝合金为例，铝的熔点比较低，因此铝合金的使用温度也比较低，目前一般不超过 250℃，因此本身就很难通过塑性变形做成纳米尺度的合金。
而在该研究中，利用自研的制备方法获得了铝合金 Schwarz crystal，既能抑制铝原子穿过晶界的扩散，还能提高铝合金的使用温度，甚至合金的熔化都被抑制了，在此次报道的 Al-Mg 合金中，熔点提高了 60 多度。而对于一般合金的熔化，很难通过其他方式来抑制。
虽然他们已经制备出来了纳米尺寸的铝合金样品。但是要想应用在工业上，首先面临的问题是如何把样品做大。
（来源：受访者）
仍存在待挖掘的奇特性质
该团队告诉 DeepTech，极小面上原子可被抑制的特性，暗示着原子在振动上存在特殊性，而这可能和它的导热能力以及原子振动相关，因此他们计划将来进一步挖掘。
而之所以再次登上 Science，其一是因为抑制原子扩散这一性能引起了审稿人的极大兴趣；其二这本身也是 2020 年该课题组的 Science 论文的延续，展示了 Schwarz crystal 的广泛性和普适性。
不过所有科研成果都并非一蹴而就，一开始该团队发现 Al-Mg 合金中的析出相和晶粒长大被抑制住，还好理解。但当合金的熔点提升时，并且一下子提升了 60 多摄氏度，这让他们一度怀疑实验结果有误。
后来又反复做实验，发现原来是扩散的问题。李秀艳表示，卢柯院士经常对团队强调，当你发现自己的成果很颠覆，那一定要反复做实验检查其可重复性。
（来源：受访者）
概括来说，该团队利用大量精细实验并结合模拟计算发现，当晶粒尺寸降低到几纳米时，纯金属铜多晶体会形成一种新型亚稳结构 ——Schwarz crystal（受限晶体）结构。采用两步低温塑性变形技术，成功将纯铜晶粒尺寸降低至 10 nm 以下；结合实验观察和分子动力学模拟，发现这种极细晶粒之间的界面具有一种极小界面结构特征，被称为 Schwarz-D 界面，其平均曲率为零，结构稳定性很强。
同时，晶粒中大量低能孪晶界又进一步约束了这种极小界面，使其稳定性更高。因此，这种具有孪晶限制的极小界面结构的多晶体能表现出极高的热稳定性和力学稳定性。
此次受限晶体结构的发现，为探索固态物质结构基本特征及其新性能开辟了一个全新空间，也为研发高稳定性金属材料及制造工艺提供新机遇和新挑战。
另据悉，卢柯今年 56 岁，目前是中科院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心主任。回顾过往，三十多年来卢柯成绩不断，并一直聚焦在纳米金属，梯度结构和纳米孪晶都是其代表性成果。他不盲目追赶热点研究，但遇到重要的科学问题也会非常重视。也从不急于求成，而是带着耐心做长线布局。
图 | 卢柯参加学术交流（来源：受访者）
从 1990 年 1 月博士毕业后留在中科院金属研究所，卢柯在这里已经工作 31 年。李秀艳告诉 DeepTech，中科院金属所成立于 20 世纪 50 年代，首任所长是李薰院士，当时在北京和沈阳两个选址地点中，选择了沈阳。
沈阳至今都是国内领先的重工业基地，这里也有鞍钢、本钢等钢铁巨头，此外沈阳的材料业、装备制造业也很出色。建所几十年间，科学家们的研究也和当地发展紧密结合。
图 | 李秀艳（来源：受访者）
关于此卢柯曾告诉媒体：“对辽宁来说，全省工业增加值的三分之二来自与材料关系密切的装备制造、冶金、化工三大行业。我们要促进原创，要补基础，从整个科学基础、技术基础补起，从根上抓起，努力把沈阳材料科学国家研究中心建成世界级高水平的研究平台。
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