他，16歲上大學，38歲當選院士，53歲出任副省長，再發(fā)Science！
2025-11-07 11:38:55
作者：高分子科學前沿 來源：高分子科學前沿
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他，16歲上大學，30歲成為博士生導師，32歲任國家重點實驗室主任，36歲出任中科院金屬所所長；38歲當選中國科學院院士，40歲當選德國科學院院士，41歲成為《Science》首位中國評審編輯；，53歲當選美國科學院外籍院士。從本科到博士，他一直在國內接受教育，是地地道道的“中國制造”科學家。2020年，他因在納米金屬強化領域的開創(chuàng)性貢獻榮獲“未來科學大獎·物質科學獎”。他就是中國科學院院士、原遼寧省副省長、沈陽材料科學國家研究中心主任盧柯。盧柯院士長期深耕金屬材料科學，率先揭示了納米金屬的變形與穩(wěn)定性機制：2000年，他發(fā)現納米銅在室溫下具超塑延展性，登上《Science》；2003–2004年，再次在《Science》報道鐵表面納米化與“納米孿晶”發(fā)現；2011年提出“梯度納米結構”概念，實現強度與塑性的兼得；2017–2020年連續(xù)揭示納米晶強化、熱穩(wěn)定性及界面結構新機制；迄今為止，他已發(fā)表14篇《Science》、1篇《Nature》，是全球金屬材料領域當之無愧的領軍人物。打破金屬強化極限！發(fā)現“負能界面”讓鎳合金強度逼近理論極限！在金屬材料領域，一個長期存在的難題是當晶粒細化到極限時，材料會“反而變軟”。這是因為在納米尺度下，晶界或孿晶界變得極不穩(wěn)定，會滑動、旋轉甚至消失，使金屬失去應有的強化效果。如何在極端尺寸下仍保持結構穩(wěn)定，從而進一步突破強度上限？這是材料科學家?guī)资陙韷裘乱郧蟮哪繕恕?/span>在此中國科學院金屬研究所盧柯院士、李秀艷研究員合作在鎳-鉬合金中發(fā)現并構建了一類“負多余能界面”（negative excess-energy interface, NEI）。這些界面不僅不會削弱材料，反而能讓晶格更穩(wěn)、更強，其密度可高達每納米一個，讓金屬強度逼近理論值，彈性模量達到254.5 GPa，遠超所有已知鎳基合金和金屬玻璃。這一發(fā)現刷新了人們對金屬界面能量和穩(wěn)定性的傳統(tǒng)認知，為設計超高強度金屬開辟了全新方向。相關成果以“Strengthening Ni alloys with nanoscale interfaces of negative excess energy”為題發(fā)表在《Science》上，Jiongxian Li為第一作者。從不穩(wěn)定晶界到“負能界面”：重新定義金屬強化機制過去的強化手段主要依賴“細化晶粒”——晶界越多，滑移受阻越強，強度越高。但當晶粒小于約10 nm時，情況急轉直下：晶界活動（遷移、旋轉）主導塑性變形，導致“反Hall–Petch效應”，金屬開始變軟。后來人們引入低能孿晶界（TB）來延緩滑移，雖然能提高強度，但在高密度下孿晶同樣會因位錯作用而失穩(wěn)。那么，是否存在比孿晶更穩(wěn)定的界面？研究團隊從理論和實驗雙向出發(fā)，提出一個全新概念：在特定合金體系中，若界面的形成能為負值（即“負多余能”），則這種界面將自發(fā)穩(wěn)定存在，并成為天然的強化源。他們選擇了鉬含量高達26 at%的Ni(Mo)過飽和固溶體——鉬能顯著降低鎳的層錯能（從230 mJ/m²降至約16 mJ/m²），使得材料更容易形成致密的層錯與孿晶層（圖1a）。通過脈沖電沉積法制備的鎳-鉬合金薄片在熱處理后形成了由納米晶與層錯交織構成的“密排結構迷宮”（圖1b）。在透射電鏡下，可以看到晶粒內部遍布高密度的層錯（SF）和雙晶界（TB），它們以僅0.7 nm的間距交替排列（圖1c、1e），構成極為獨特的納米層狀界面體系。原子級界面新相：穩(wěn)定的“ABC–ABAB”混排結構常規(guī)面心立方（FCC）金屬的原子層遵循ABCABC堆垛，而在鎳-鉬合金中，研究者發(fā)現出現了大量混合了ABAB堆垛的六方密排（HCP）層，形成了局部“FCC–HCP”共存結構（圖2b）。這種結構本應不穩(wěn)定，但在實驗中卻極為持久。統(tǒng)計表明，隨著退火溫度升高，ABAB層比例從4%增至27%，其界面占比高達39%，幾乎每10個原子層就有4個是界面層（圖2g）。為何這些界面如此穩(wěn)定？團隊利用第一性原理密度泛函理論（DFT）計算揭示了答案（圖2h–l）：當FCC相（D022結構）與HCP相（D0a結構）以特定取向（Shoji–Nishiyama關系）共存時，兩者之間的界面能竟然為負值（–8.7至–19.5 mJ/m²）。換言之，界面的存在反而降低了體系總能量！這意味著這種“負能界面”不再是缺陷，而是促進晶體穩(wěn)定的“有益結合面”。因此，在鎳-鉬體系中，界面越多，材料越穩(wěn)、越強，這與傳統(tǒng)金屬觀念完全相反。這些超高密度負能界面對材料力學性能的影響是驚人的。團隊通過顯微柱壓縮實驗發(fā)現，樣品在彈性階段應力隨應變線性上升，直到約2%應變處驟然斷裂，峰值應力高達5.08 GPa（圖3a）。這一數值幾乎接近鎳的理論強度極限。更令人矚目的是，在多次加載-卸載循環(huán)中，應力–應變曲線幾乎完全重合（圖3b），說明整個變形過程是可逆且無塑性流動的——材料像彈簧一樣可反復承受巨大應力而不永久變形。掃描電鏡顯示斷裂表面呈現40°傾角剪切面，典型的脆性斷裂特征（圖3c）。硬度測試進一步證實其強化趨勢：隨著界面密度增大，硬度從12.2 GPa升至13.5 GPa，遠超Ni?Mo化合物（8.4 GPa）和玻璃態(tài)樣品（7.0 GPa）。繪制強度與界面間距的關系圖后可見，該Ni(Mo)合金的數據點完全跳出了傳統(tǒng)納米晶與納米孿晶鎳的性能上限區(qū)域（圖3d），形成一個全新的強化“分支”。彈性模量再創(chuàng)新高：254.5 GPa！在納米壓痕測試中，純鎳的楊氏模量約為190 GPa，而Ni(Mo)玻璃為122 GPa。隨著負能界面密度增加，Ni(Mo)固溶體的模量線性提升：從207.8 GPa一路上升至254.5 GPa（圖4b），不僅高于所有鎳基化合物，也超過部分陶瓷和氧化物材料。值得注意的是，這種模量增強與Mo含量和制備方式無關，說明“NEI效應”是普適的物理機制。理論分析表明，層錯和界面附近的原子會因非對稱力場發(fā)生微畸變（約2%），并在電子結構上形成高密度局域態(tài)，顯著增強鍵合剛度。這種“界面強化的彈性”為金屬材料提供了新的設計思路：不再依賴化學成分，而是通過界面工程改變晶格內鍵合能。在強度–模量的阿什比圖上（圖4c），Ni(Mo)樣品的數據點集中在E/40–E/50范圍，逼近理論強度線，超越所有傳統(tǒng)合金體系，與高強陶瓷相當。這意味著，金屬也能像陶瓷那樣“剛如磐石”，但又保持金屬本征的連續(xù)結構——這是以往幾乎無法想象的。這項工作不僅創(chuàng)造了性能新紀錄，更重要的是提出了界面能“可為負”的全新材料設計理念。以往人們將界面視為能量高、易失穩(wěn)的“缺陷區(qū)”，而本研究證明，在特定晶格匹配條件下，界面能可以低于母相，從而成為材料穩(wěn)定性的源泉。理論計算顯示，在鎳的其他二元體系中，如Ni–W、Ni–Ta、Ni–Nb、Ni–Mn等，也存在類似的負能界面特征。這意味著通過界面結構調控，有望在更廣泛的金屬體系中復制這種強化機制。未來，通過控制退火、沉積等工藝，實現可控生成高密度NEI，將使高強度金屬的設計從“化學合金化”走向“結構能工程”。
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