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【中国科学报】走进材料科学“亚埃”世界
 
2019-10-30 | 文章来源:中国科学报        【 】【打印】【关闭

  走进材料科学“亚埃”世界

  ——记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”

  编者按

  材料创新正在重塑人类生活。创造新材料并让其所具备的性能为人类所用,不仅可以解决诸多前沿科学问题,也为保障国家重大需求提供了科学支撑,成为全球科学家的重要目标。而要实现这一目标,进入越来越小的微观世界至关重要。

  近年来,中国科学家沉浸在材料科学的微观世界中,取得了多项突破性成果。

  譬如,利用象差校正显微镜,可以从亚埃尺度看清物质中原子的排列,深入了解材料结构与性能之间的关联性。从纳米尺度制备抗癌药物,能够促进药物溶解、改善吸收、提高靶向性从而提高有效性,为癌症治疗带来福音。

  本期自然科学基金版将总结国家自然科学基金重大项目的研究进展,展示其取得的成绩。

贾春林(右一)在指导研究人员开展实验   

  ■本报记者 甘晓

  埃是一个长度单位,比纳米还小一个数量级。顾名思义,亚埃,则是比埃更小的尺度。进入亚埃的“次元”,科学家就能看清宏观物质中原子的排列,这将极大促进材料科学的发展。

  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,由中国科学院院士、中国科学院网投平台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。

  “走进亚埃世界,我们不仅解决了诸多前沿科学问题,也为保障国家重大需求提供了科学支撑。”叶恒强告诉《中国科学报》。

  来得正当其时

  “材料科学的核心问题,是研究结构和性能的关系。”电话那头,叶恒强的普通话中隐约夹杂着粤港口音。尽管在沈阳生活了近半个世纪,成长在南粤大地的他仍乡音难改。

  搞了大半辈子材料科学,叶恒强自然对材料科学的核心问题谙熟于心。“材料里面是什么样子、原子怎么排列、原子种类是什么样的、各个组织结构是什么样子,这和宏观表现出来的性能有密切联系。”他强调。

  材料科学家很清楚,要看清原子,必须借助分辨率更高的显微镜。“比如,芯片需要在几个纳米的尺寸里做很复杂的晶体管,对材料要求很高。”叶恒强解释。

  上世纪末,德国科学家研发的“象差校正显微镜”通过先进的技术手段,消除了电子显微镜物镜存在的“离域效应”,使电子显微镜的分辨率挺进“亚埃”尺度。

  叶恒强用“正当其时”来形容“象差校正显微镜”的出现。他认为,检测设备的突破,与材料科学发展的需求,刚好走到了一起。

  2008年,中国科学院院士、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,叶恒强带领的课题组申请了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”,并于2014年1月获批。

  实现“三个推进”

  2019年3月,该项目顺利结题。总结起来,科学家们在这一项目中实现了“三个推进”。

  首先,推进了材料结构与性能之间的“关联性”。“不仅用象差校正显微镜获得了一些材料的图像,关键是把这些图像中的信息和材料的性能联系在了一起,包括力学、电学、磁学性能。”叶恒强介绍。

  例如,叶恒强带领的团队在微小的尺度上对纳米孪晶铜的力学性能给出了科学解释,同时,对钛合金、镁合金的溶质原子和缺陷的相互作用对性能的影响开展了研究。

  第二,推进了材料科学作为国家重大战略需求保障的作用。例如,朱静课题组围绕高温合金的“蠕变机制”开展了深入研究。多年来,研究人员观察到,单晶合金在高温和外力下会发生宏观上的形变,被称为“蠕变”。这一现象为航空发动机叶片制造带来极大挑战,成为一个“卡脖子”问题。

  在该重大项目支持下,朱静研究组首先在原子尺度上解释了贵金属元素的加入改善蠕变性能的机理。研究人员发现,“蠕变”本质上源自合金中微观结构的变化,而贵金属铼、钌的加入,则有助于通过阻碍微观结构变化,起到强化合金的作用。

  第三,推进了材料科学面向未来的科学支撑。执行项目期间,研究人员对铁电、铁磁材料表面重构等基本科学问题开展了深入研究。“这些研究成果还不能马上应用,而是对未来材料发展的一种积累。”叶恒强指出。

  浙江大学教授王勇带领研究组,搭建了原位和环境气氛的电镜平台,在热电材料和纳米催化剂方面做出了国际水平的成果。

  “布局开展基础研究,不仅要解决当前的前沿科学问题,也应当同时面向国家重大需求,还应具有高瞻远瞩的眼光,为未来科学发展趋势作打算。”叶恒强强调。

  三代人,一条心

  5年来,来自不同地区和学校的研究人员凝聚成一个“大家庭”,齐心协力共攀科学高峰。

  “我们这个团队有三代人。”叶恒强介绍。年过八旬的叶恒强和朱静是第一代人,花甲之年的西安交通大学教授贾春林是第二代人,“70后”的于荣和王勇则是正当年的第三代。

  在该重大项目中,贾春林带领团队开展了一项有趣的工作。在一种被称为“铋锌铌酸盐烧绿石”的物质中,他们利用象差校正电子显微镜拍摄不同时间的图像,直接观察到了过去理论假设的原子跳跃现象。这项工作被认为是对象差校正电子显微镜应用方法的发展。

  2014年,贾春林获国际显微学联合会“桥本奖”(Hashimoto),是中国人首次获得这一奖项。

  2018年,朱静因在电子显微学前沿和相关材料科学应用领域56年的辛勤工作,荣获中国电子显微学会首届“中国电子显微学终身成就奖”。

  于荣向《中国科学报》表示:“这个三代人的团队像一个大家庭一样温暖,老一辈科学家为我们树立起好榜样,不受功利思想的影响,坚持长远的目标,是我们精神上的灯塔。”

  于荣的工作主要集中在绝缘体材料的表面。“由于不导电,绝缘体表面结构很难用电子显微镜去观察,所以这个领域在材料科学中很少有人涉足。但又因为催化剂设计往往都在绝缘体载体上,所以这一方向又显得格外重要。”于荣回忆。

  在朱静的鼓励下,于荣看准了这个方向,沉下心做科研。2012年,他带领的课题组在显微镜下得到了尖晶石的次表面图像,硬是一个像素一个像素抠,花了整整5年时间分析出表面结构。

  结果让于荣感到惊奇:“真实的图像竟然和此前的理论计算结果都不一致。”很快,2018年,他们将这一结果发表在《科学通报》上。

  该重大项目对国内采用象差校正电子显微镜开展材料科学研究发挥了引领和带动作用。

  据叶恒强介绍,单从数量来看,象差校正电子显微镜从项目启动之初的10台左右,增加到2018年的约100台左右。“我们用实际工作告诉大家,应该用这样一种先进的技术去解决材料科学中的问题。”他强调。

  中国科学报》 (2019-10-28 第4版 自然科学基金)  

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