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【中國科學報】走進材料科學“亞埃”世界
 
2019-10-30 | 文章来源:中國科學報        【 】【打印】【關閉

  走進材料科學“亞埃”世界

  ——記國家自然科學基金重大項目“材料界面的亞埃尺度結構和材料性能”

  編者按

  材料創新正在重塑人類生活。創造新材料並讓其所具備的性能爲人類所用,不僅可以解決諸多前沿科學問題,也爲保障國家重大需求提供了科學支撐,成爲全球科學家的重要目標。而要實現這一目標,進入越來越小的微觀世界至關重要。

  近年來,中國科學家沈浸在材料科學的微觀世界中,取得了多項突破性成果。

  譬如,利用象差校正顯微鏡,可以從亞埃尺度看清物質中原子的排列,深入了解材料結構與性能之間的關聯性。從納米尺度制備抗癌藥物,能夠促進藥物溶解、改善吸收、提高靶向性從而提高有效性,爲癌症治療帶來福音。

  本期自然科學基金版將總結國家自然科學基金重大項目的研究進展,展示其取得的成績。

贾春林(右一)在指导研究人员开展实验   

  ■本报记者 甘晓

  埃是一個長度單位,比納米還小一個數量級。顧名思義,亞埃,則是比埃更小的尺度。進入亞埃的“次元”,科學家就能看清宏觀物質中原子的排列,這將極大促進材料科學的發展。

  在国家自然科学基金重大项目“材料界面的亚埃尺度结构和材料性能”的资助下,由中國科學院院士、中國科學院竞博研究员叶恒强领衔的团队利用象差校正电子显微镜,对不同材料中精细原子构型和性能开展了研究。

  “走進亞埃世界,我們不僅解決了諸多前沿科學問題,也爲保障國家重大需求提供了科學支撐。”葉恒強告訴《中國科學報》。

  來得正當其時

  “材料科學的核心問題,是研究結構和性能的關系。”電話那頭,葉恒強的普通話中隱約夾雜著粵港口音。盡管在沈陽生活了近半個世紀,成長在南粵大地的他仍鄉音難改。

  搞了大半輩子材料科學,葉恒強自然對材料科學的核心問題谙熟于心。“材料裏面是什麽樣子、原子怎麽排列、原子種類是什麽樣的、各個組織結構是什麽樣子,這和宏觀表現出來的性能有密切聯系。”他強調。

  材料科學家很清楚,要看清原子,必須借助分辨率更高的顯微鏡。“比如,芯片需要在幾個納米的尺寸裏做很複雜的晶體管,對材料要求很高。”葉恒強解釋。

  上世紀末,德國科學家研發的“象差校正顯微鏡”通過先進的技術手段,消除了電子顯微鏡物鏡存在的“離域效應”,使電子顯微鏡的分辨率挺進“亞埃”尺度。

  葉恒強用“正當其時”來形容“象差校正顯微鏡”的出現。他認爲,檢測設備的突破,與材料科學發展的需求,剛好走到了一起。

  2008年,中國科學院院士、清华大学教授朱静研究组引进了国内首台“象差校正显微镜”,这令中国材料学家感到振奋。有了这杆“枪”,那么,如何利用好它命中目标,成为摆在中国材料学家面前的问题。

  2013年8月,葉恒強帶領的課題組申請了國家自然科學基金重大項目“材料界面的亞埃尺度結構和材料性能”,並于2014年1月獲批。

  實現“三個推進”

  2019年3月,該項目順利結題。總結起來,科學家們在這一項目中實現了“三個推進”。

  首先,推進了材料結構與性能之間的“關聯性”。“不僅用象差校正顯微鏡獲得了一些材料的圖像,關鍵是把這些圖像中的信息和材料的性能聯系在了一起,包括力學、電學、磁學性能。”葉恒強介紹。

  例如,葉恒強帶領的團隊在微小的尺度上對納米孿晶銅的力學性能給出了科學解釋,同時,對钛合金、鎂合金的溶質原子和缺陷的相互作用對性能的影響開展了研究。

  第二,推進了材料科學作爲國家重大戰略需求保障的作用。例如,朱靜課題組圍繞高溫合金的“蠕變機制”開展了深入研究。多年來,研究人員觀察到,單晶合金在高溫和外力下會發生宏觀上的形變,被稱爲“蠕變”。這一現象爲航空發動機葉片制造帶來極大挑戰,成爲一個“卡脖子”問題。

  在該重大項目支持下,朱靜研究組首先在原子尺度上解釋了貴金屬元素的加入改善蠕變性能的機理。研究人員發現,“蠕變”本質上源自合金中微觀結構的變化,而貴金屬铼、钌的加入,則有助于通過阻礙微觀結構變化,起到強化合金的作用。

  第三,推進了材料科學面向未來的科學支撐。執行項目期間,研究人員對鐵電、鐵磁材料表面重構等基本科學問題開展了深入研究。“這些研究成果還不能馬上應用,而是對未來材料發展的一種積累。”葉恒強指出。

  浙江大學教授王勇帶領研究組,搭建了原位和環境氣氛的電鏡平台,在熱電材料和納米催化劑方面做出了國際水平的成果。

  “布局開展基礎研究,不僅要解決當前的前沿科學問題,也應當同時面向國家重大需求,還應具有高瞻遠矚的眼光,爲未來科學發展趨勢作打算。”葉恒強強調。

  三代人,一條心

  5年來,來自不同地區和學校的研究人員凝聚成一個“大家庭”,齊心協力共攀科學高峰。

  “我們這個團隊有三代人。”葉恒強介紹。年過八旬的葉恒強和朱靜是第一代人,花甲之年的西安交通大學教授賈春林是第二代人,“70後”的于榮和王勇則是正當年的第三代。

  在該重大項目中,賈春林帶領團隊開展了一項有趣的工作。在一種被稱爲“铋鋅铌酸鹽燒綠石”的物質中,他們利用象差校正電子顯微鏡拍攝不同時間的圖像,直接觀察到了過去理論假設的原子跳躍現象。這項工作被認爲是對象差校正電子顯微鏡應用方法的發展。

  2014年,賈春林獲國際顯微學聯合會“橋本獎”(Hashimoto),是中國人首次獲得這一獎項。

  2018年,朱靜因在電子顯微學前沿和相關材料科學應用領域56年的辛勤工作,榮獲中國電子顯微學會首屆“中國電子顯微學終身成就獎”。

  于榮向《中國科學報》表示:“這個三代人的團隊像一個大家庭一樣溫暖,老一輩科學家爲我們樹立起好榜樣,不受功利思想的影響,堅持長遠的目標,是我們精神上的燈塔。”

  于榮的工作主要集中在絕緣體材料的表面。“由于不導電,絕緣體表面結構很難用電子顯微鏡去觀察,所以這個領域在材料科學中很少有人涉足。但又因爲催化劑設計往往都在絕緣體載體上,所以這一方向又顯得格外重要。”于榮回憶。

  在朱靜的鼓勵下,于榮看准了這個方向,沈下心做科研。2012年,他帶領的課題組在顯微鏡下得到了尖晶石的次表面圖像,硬是一個像素一個像素摳,花了整整5年時間分析出表面結構。

  結果讓于榮感到驚奇:“真實的圖像竟然和此前的理論計算結果都不一致。”很快,2018年,他們將這一結果發表在《科學通報》上。

  該重大項目對國內采用象差校正電子顯微鏡開展材料科學研究發揮了引領和帶動作用。

  據葉恒強介紹,單從數量來看,象差校正電子顯微鏡從項目啓動之初的10台左右,增加到2018年的約100台左右。“我們用實際工作告訴大家,應該用這樣一種先進的技術去解決材料科學中的問題。”他強調。

  中國科學報》 (2019-10-28 第4版 自然科学基金)  

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