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在原子尺度揭開結構材料超高強度與超高韌性的面紗

2017-07-28 15:15:03 作者：本網整理來源：科技日報分享至：

大飛機、高鐵、發動機、橋梁等的力學承載結構材料，都是由材料的不同性能而發揮著關鍵作用。眾所周知，材料的微觀結構決定了材料的宏觀物性及其功能；而材料的微觀結構則是由組成原子之間空間排列的晶體結構所決定。如何了解調控原子之間的晶體結構，是材料微觀結構研究的重要課題和科學前沿。

由于原子間的排列距離大約為2—3埃（0.2—0.3納米），相當于頭發絲的十萬分之一，因此如何從物理上能夠看到原子，探索原子或其團簇在外力作用下的演化規律，并在亞埃尺度精確操控由原子組成的結構材料一直是研究者追求的目標。

由北京工業大學和浙江大學組成的“材料彈塑性微觀機制研究團隊”經過13年不懈的努力，發明了國際上該領域獨有的“原子尺度材料力學性能實驗系統”和相關技術，為解決這一世界難題提供了新的研究途徑。

該實驗平臺的“力學微驅動器”可以在電子顯微鏡下精準施加外力，驅動微納米結構材料變形，并在原子尺度觀察原子及其團簇的演化規律。該技術填補了多項國際領域空白，部分實驗成果驗證并發展了百年的理論預測，實現了技術與理論上的雙突破。該項研究大幅度拓展了材料性能的提升空間，為提高國家重大基礎材料與先進材料的研究搭建了新的科學實驗測量調控系統，該研究取得國家發明專利24項，國際專利4項，在2016年度北京市科學技術獎評選中，榮獲一等獎。

“原子眼”與“力學智能手”的完美結合

原子是組成固體物質的基本單元，它的組成、排列方式決定了材料的宏觀性能。材料的力學性能是許多關鍵結構材料應用的基礎，例如：大飛機、高鐵、橋梁、汽車結構件，也在許多功能性器件中起關鍵作用。如果能夠精確認知原子在外力下的運動和演化規律，就可以優化乃至創新材料設計，大幅度提高材料的性能。

自1803年道爾頓提出原子基本粒子理論至今已經過去200余年，人們試圖觀察、認知并操控原子的愿望與實踐持續至今。透射電子顯微鏡是利用電子與原子交互作用，將被觀察的物體放大100萬倍以上，直接看到組成材料的原子排布及組成。

經過百年的不斷發展，電子顯微鏡的“視力（空間分辨率）”逐步提高，可以達到亞埃尺度（千億分之一米）。然而，這種顯微鏡雖然有好的“視力”，卻缺乏可以操控原子的“力學智能手（微驅動器）”。

一直以來，國際上許多科學家都在嘗試給這種顯微鏡安裝“力學智能雙手”，但以現有的商業化技術，一旦給顯微鏡安裝“力學智能手”后，會導致顯微鏡的“視力”嚴重下降，難以實現精準觀察。因此，實現原子的精準操控和觀察，認知外力作用下原子的演化規律是一個世界性的實驗瓶頸技術。

張澤院士和韓曉東教授帶領研究團隊經過13年的不懈努力，改變固有思維，創造性的發展了“原子尺度材料力學性能實驗儀器”，解決了上述實驗瓶頸難題。在技術上既保證了透射電子顯微鏡的“視力”在施加外力時保持在“原子尺度”，又實現了“力學智能手”以“亞埃”步長精準控制材料變形。

該技術體系填補了國際領域多個空白，實現了原子尺度下的“原子眼”與“力學智能手”的完美結合。在該技術的支撐下，研究團隊與國際同行一起，開辟了“原子尺度材料力學性能原位實驗研究”的新領域。

納米材料超常力學性能的“面紗”被揭開

納米材料是材料世界的后起之秀，它是指在三維空間中至少有一維是納米尺寸（0.1—100nm）的材料或由它們作為基本單元構成的材料，被譽為21世紀最具潛力的新型材料，納米材料的力學性能有可能達到材料的性能極限，并擁有體材料不具備的特殊優異物理化學性質。

納米多晶材料中原子的運動和演化規律，在過去僅能通過計算機模擬進行分析，模擬的準確性依賴于原子間作用勢的準確程度等。“原子尺度材料力學性能實驗系統”的成功研制幫助研究團隊逐一揭開納米材料超常力學性能的“面紗”。

團隊首次揭示了多晶納米材料力學變形過程中原子的錯排有律可循，實驗發現納米晶粒內部原子錯位排列的極限尺寸小于理論預測的0.4%—0.6倍。這一發現說明多晶材料的極限強度可再度提高30%—50%，將推動更高強度結構材料的設計和發展。

讓材料研究如虎添翼

半導體材料是信息材料世界中的“當家花旦”，硅則是那顆最耀眼的明珠，它支撐著半導體工業的發展。我們日常生活中的電子產品無一例外的與硅緊密相關。然而，硅材料像玻璃一樣非常容易破碎。如何使得硅像金屬一樣柔韌并在納米尺度進行精確加工是持續了近60年的重大科學問題。它直接決定了我們的電子產品的壽命、容量、運算速度以及是否可以突破摩爾定律的制約。

利用“原子眼”與“力學智能手”揭示其原子排列規律的奧秘：發現硅在小尺度下及外界輔助條件下，具有大應變能力，可以像金屬材料一樣柔韌，具備塑性變形能力，其應變能力為大體積硅材料應變的1000倍，具有潛在的機械加工特性。這種神奇的現象，在納米氧化硅玻璃、碳化硅中也得以發現。

課題團隊對這類問題加以總結，揭示了一系列半導體材料的原子錯排機理。為脆性材料的加工和應用提供了新思路，為受摩爾定律控制的半導體工業及器件的機械加工開辟了新途徑。

讓晶體材料展現類似橡皮行為的超大彈性應變

在晶體材料領域，科學家們一直有一個問題，晶體材料的最大彈性變形量是多少，這直接決定人類可以在多大程度上調控材料的性能。在近100年前，理論學家們就預測材料單軸拉伸變形量能達到10%左右，復雜限域條件下晶格應變可達17%。

然而，這個理論從未被實驗證實。100年來探索從未停止，直到2014年，課題團隊開發并利用“原子眼”與“力學智能手”在國際首次實現了金屬銅納米線拉伸變形的原子操控，發現銅納米線的彈性變形可達到7.2%。國際著名期刊Science撰文評價“這是金屬材料中迄今能夠實現的最大單軸拉伸彈性應變”。

隨后，團隊發現這種類似的原子彈性切應變在鎳孿晶納米線中可達34%，是體材料晶格應變極限的10倍，該實驗驗證并解決了近百年前的理論預言難題。這些發現發展了晶體材料彈性變形及強度理論，將應變工程的應變極限提高了10倍。

通過對材料原子結構的應變調控，金屬材料外在的物理性能（如強度、韌性、能帶結構等）都會隨之變化和提高。航天飛機、輪船、高速列車將有更持久和更安全的服役性能，也會大幅度節約能源。

為國家重大需求的基礎材料和先進材料研發保駕護航

在過去的十幾年里，團隊利用獨特的設計理念，在國際領域原創性地發展了材料變形行為的原子操控技術，為人類進一步掀開材料世界里原子尺度演化規律的面紗提供了技術支撐。隨著這項關鍵技術的應用和新材料的研制成功，不僅可以打破國際上少數國家在關鍵材料出口方面的壟斷，同時為中國高端材料的研發和智能制造的進步，躋身世界材料研發強國，作出應有的貢獻。

原子尺度材料力學性能實驗測量調控系統為發展高強高韌輕質，甚至在復雜極端環境下更多五彩繽紛的優異特性的材料奠定了國際領域獨有的先進實驗平臺基礎。

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責任編輯：殷鵬飛

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