材料科學家Jason Trelewicz在美國布魯克海文功能納米材料研究中心的電子顯微鏡實驗室中表征了摻雜其他元素的金屬納米結構。圖片來源：美國布魯克海文國家實驗室

    Jason Trelewicz的父親是一位工程師，自從小時候他的父親將他帶到工作室后，從此他就與材料科學領域結下了不解之緣。在他父親工作的材料實驗室里，Trelewicz使用光學顯微鏡放大物質表面，他觀察到不同樣品相互作用的光呈現出不同特征

    現在，Trelewicz成為了材料科學化學工程系工程與應用科學專業副教授，是由石溪大學高級計算科學研究所和工程金屬納米結構實驗室聯合任命的。他利用放大倍數更高的電子顯微鏡，可以詳細的觀察微小的納米結構，并了解當它們受到熱、輻射和機械力時會發生什么。Trelewicz對金屬合金（摻雜其他金屬）的納米結構特別感興趣，將此納米尺寸特征納入經典材料可以提高其性能。通過電子顯微鏡研究收集的信息幫助他了解納米結構和化學特征之間的相互作用。而這可以用來調整材料的性能，使其用于從航空航天、汽車零部件到消費電子和核反應堆等各個方面。

    自2012年起，Trelewicz抵達石溪大學后一直在美國能源部（DOE）科學用戶辦公室即功能性納米材料中心（CFN）使用電子顯微鏡和高性能計算（HPC）進行研究。

    Trelewicz說：“當時，我一直尋找一個方法將我對于穩定金屬納米結構的想法解決新應用問題。我對核能技術的興趣最初產生于讀小學的時候，重新利用我們從地球上的太陽獲得的能量的過程使我著迷，并且激起了我對核能的興趣。雖然我們距離發電核聚變反應堆還有很遠的距離，但在目前法國一個名為ITER的大型國際團隊正在努力嘗試一個長期的大規模聚變反應。”

    用于聚變反應堆的等離子體材料

    核聚變--原子核碰撞的反應，幾乎可以提供無限量的安全清潔能源，就像太陽通過將氫原子核融入氦原子而自然產生的那樣。在反應堆中使用這種無碳能源需要在發生聚變的非常高的溫度（約比太陽核心高6倍）的高溫下產生并維持等離子體，同時用磁場限制它。目前聚變反應堆所面臨的諸多挑戰中，Trelewicz最感興趣的是為反應堆提供可行的材料。

    Trelewicz說：“對于聚變領域來說，巨大的材料挑戰使我看到了研究材料的機會，在核反應堆內部，等離子體將產生高熱通量，高熱應力，高粒子和中子通量，而人們正期望材料在這種嚴酷環境中起作用。”

    這種“面向等離子體材料”的主要候選對象是鎢，因為它具有高熔點（純金屬中熔點最高）和較低的濺射產量（等離子體中的高能離子噴射原子的數量）。然而，鎢在再結晶，抗氧化性，長期輻射耐受性和機械性能方面的穩定性是有問題的。

    Trelewicz認為，設計精確的納米結構鎢合金可以解決這些問題。8月份，他獲得了美國能源部早期職業研究計劃頒發的75萬美元五年獎，旨在開發穩定的納米晶鎢合金，從而可以承受聚變反應堆苛刻的環境。他的研究將原子模型相互作用，有關實時離子輻照曝光和機械測試的實驗模擬結合，以了解負責合金熱穩定性，輻射耐受性和機械性能的基本機制。這項研究的經驗將為聯合應用提供彈性更好的合金設計。

    除了他們在本國機構使用的計算資源之外，Trelewicz和他的實驗室小組正在使用CFN的HPC集群，以及其他DOE設施的集群，例如橡樹嶺領導計算設施的Titan（橡樹嶺國家實驗室DOE科學用戶辦公室的設施）也會作為項目的一部分進行大規模的原子模擬。

    Trelewicz說：“我們想要設計的材料結構長度范圍在幾納米到100納米之間，單個模擬可能涉及多達1000萬個原子。使用HPC集群，我們可以一個原子接一個原子的構建一個系統，以此代表我們想要通過實驗探索的結構，并仿真地研究在不同的外部刺激條件下該系統的響應，例如，我們可以成千上萬次的激發高能量原子進入系統，然后觀察材料發生了什么，以及它是如何發展的，一旦發現積累在結構中的缺陷，我們就可以模擬熱力學和機械力，從而了解缺陷結構是如何影響其他行為的。”

    這些模擬結果表明了實驗合金的結構和化學性質，而這些都是Trelewicz和他的學生在石溪大學通過高能銑削完成的。為了表征工程合金的納米結構和化學分布，他們廣泛地使用了包括掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡和掃描透射電子顯微鏡在內的CFN顯微設備。通過高分辨率成像，并且與顯微鏡內的加熱相結合來實時檢查結構隨溫度的變化，他們在美國能源部其他國家實驗室進行實驗，例如在桑迪亞通過與Ion Beam實驗室的材料科學家Khalid Hattar合作進行實驗。在這里，Trelewicz研究小組的學生們同時用離子束照射工程合金，并用電子顯微鏡在數天的時間內對其進行成像。

    Trelewicz說：“雖然這種損害與材料在反應堆中的反應不相符，但它確實為評估工程材料是否可以解決鎢在聯合應用中的某些局限性提供了一個起點。

    電子顯微鏡在CFN中發揮了關鍵作用，Trelewicz的學生最近有了令人興奮的發現：在納米結構鎢薄膜中意外發現了亞穩態到穩定的相變。這種相變驅動了一種異常 ”晶粒“生長，其中一些晶體納米結構特征以犧牲其他成本而顯著增長。當學生向鎢中添加鉻和鈦時，這個亞穩相被完全消除，反過來又提高了材料的熱穩定性。

    Trelewicz說：”將實驗和計算部分都用于我們的研究的一個重要方面是，當我們從實驗中學到新的東西時，我們可以回過頭來量身定制模擬，以更準確地反映實際材料。“

    Trelewicz研究小組的其他項目

    鎢的研究只是工程金屬納米結構實驗室的眾多項目之一。

    Trelewicz說：”我們所有的項目包括在開發具有增強/多功能特性的新型金屬合金之中。我們正在尋找不同的策略，通過共同調整材料的化學和微觀結構來優化材料的性能。大部分的科學在于理解納米尺度的機制，而這些機制決定了所測量的納米結構宏觀特性。“

    Trelewicz和他的研究小組利用美國國家科學基金會（學院早期職業發展計劃）的獎項，正在研究另一類高強度合金，即非晶態金屬又稱”金屬玻璃“，它們是原子結構無序的金屬玻璃。與日常金屬相比，金屬玻璃通常具有固有的較高強度，較高的脆性，并且難以制造大塊片材的金屬玻璃。Trelewicz的團隊正在設計金屬玻璃的接口（最初是鐵基，后來是鋯基金屬玻璃），以增強材料的韌性，并探索大批量制造工藝以生產金屬板。他們將使用CFN的納米制造設施來制造這些界面工程金屬玻璃的薄膜，以便于使用電子顯微鏡技術進行原位分析。

    在一個類似的項目中，他們正試圖了解如何在鋯基非晶合金中引入結晶相，以形成金屬玻璃基復合材料（由無定形相和結晶相組成）了解其相對于常規金屬玻璃增強的變形過程。金屬玻璃通常會因為局部應力應變而毀于一旦。而在金屬玻璃中引入結晶區域可以抑制材料中的局部應力應變。他們已經證明，晶相的存在從根本上改變了剪切帶形成的機制。

    Trelewicz和他的團隊也在探索由交替結晶層和非晶層組成的金屬”納米層“的變形行為，并試圖通過協同化學摻雜策略來接近輕質鋁合金的強度理論極限（將其他元素添加到材料中改變它的屬性）。

    Trelewicz說：”我們利用CFN的資源來開展我們研究小組每個項目。并廣泛使用電子顯微設備來觀察材料的微觀和納米結構，常常觀察材料如何與成分不均勻的界面進行耦合，這些信息有助于我們穩定和設計納米結構金屬合金中的界面網絡。CFN中的HPC集群所運用的計算建模和仿真系統能夠通知我們在實驗中做了哪些工作。“

    他除了在CFN的工作之外，還與他的部門同事合作，在美國國家同步輻射光源II，即美國能源部在布魯克海文的另一個科學用戶設施辦公室中對材料進行了表征。

    Trelewicz說：”表征結構和化學不均勻性的方法有多種。我們通過電子顯微鏡在CFN上觀察少量材料，然后在NSLS-II上通過X射線衍射和微/納米探針等技術觀察更多的材料，我們將這些本地和全球對同一個材料的信息結合起來，再應用這些信息優化其屬性。“

    新一代材料的未來

    當Trelewicz不做研究時，他通常忙于學生外展。他聯系各學校的技術部門，為他們提供材料工程設計項目。學生們不僅可以參與材料設計工程方面的工作，而且還能夠學習如何使用3D打印機和其他在當今社會至關重要的工具來制造更具成本效益和性能的產品。

    展望未來，Trelewicz希望擴大與CFN的合作，并希望CFN幫助他將金屬納米結構的研究作為CFN支持的核心領域，并最終由DOE在經典材料領域實現前所未有的性能。

    Trelewicz說：“能夠每天學習新東西，利用這些知識對社會產生影響，并且看到我的學生填補了我們當前理解的空白，這使得我作為教授這一職業有著如此大的成就。憑借石溪大學，附近的CFN和其他DOE實驗室的資源，我可以用這些非常棒的平臺為材料科學和冶金領域作出貢獻。”

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責任編輯：殷鵬飛

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