16岁上大学，38岁当选院士，卢柯今日再发《Science》

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

提起金属材料，很多人都会自然而然地想起中科院金属研究所。而提到金属所，大家脑海中都会浮现一个名字---卢柯。

开挂的人生，38岁便当选院士

卢柯身上有两个绕不开的“标签”，第一个标签就是“超音速”：他16岁上大学，30岁当博导，32岁担任国家重点实验室主任，36岁出任中科院金属研究所所长，38岁增选为中国科学院院士，40岁当选德国科学院院士，41岁成为美国《科学》杂志的首位中国评审编辑，48岁成为中国“万人计划”的首批杰出人才之一。他的人生就像乘上了超音速飞机，一路都比别人更领先更瞩目。

卢柯院士的另一个标签则是“中国制造”，从本科到博士研究生，卢柯院士一直都在国内接受教育，是地地道道由中国本土培养出来的世界顶级科学家。值得一提的是，卢柯院士是目前为止当选院士年龄最小的一位。

2020年9月6日，未来科学大奖颁奖典礼在北京举行，卢柯院士斩获“物质科学奖”，以表彰其在利用纳米孪晶结构及梯度纳米结构以实现铜金属的高强度、高韧性和高导电性。

与纳米金属结缘，11篇Science\1篇Nature

卢柯院士一直深耕于非晶态金属的晶化动力学及其微观机制，专注于对材料“制备-结构-性能”关系的思考，并取得了一系列成就。2000年，卢柯院士带领团队发现纳米金属铜的一项“神奇”性能：在室温下，纳米金属铜具有超塑延展性而没有加工硬化效应。这一发现帮助卢柯院士在金属材料的世界权威领域打开了一扇窗，研究成果发表在顶级期刊《Science》上。随后，2003年和2004年，《Science》两次刊登卢柯院士课题组的最新研究成果：利用表面纳米化技术将铁表层的晶粒细化到纳米尺度，以及发现纳米孪晶。2005年，《Science》总编辑邀请卢柯出任该杂志的评审编辑，此前《Science》的评审编辑里没有中国人，卢柯院士代表的不是个人，而是我们国家在世界科学领域发出属于我们中国的声音。

此后，卢柯院士课题组在纳米金属稳定性领域的高质量成果频出：2011年发现梯度纳米金属铜兼具高的强度和优异的拉伸塑性，揭示了纳米金属的本征塑性和变形机制；2017年发现了纳米晶强化新机制；2018年发现纳米晶热稳定性的反常晶粒尺寸效应。这些颠覆性的成果无一例外都登上了无数人梦寐以求的《Science》期刊上。截至目前，卢柯院士已经发表11篇Science、1篇Nature以及近500篇SCI论文。

《Science》再次刊登最新研究成果：发现具有10纳米晶粒的多晶铜的最小界面结构近日，《Science》再次刊登了卢柯院士课题组的最新研究成果：首次发现具有极细晶粒的多晶铜的另一种亚稳态。研究表明，通过应变将晶粒尺寸减小到几个纳米之后，多晶中的晶界会演化为受孪晶边界网络约束的三维最小界面结构。

其实，早在2018年，卢柯院士课题组研究人员在塑性变形制备的纳米晶纯铜和纯铝中发现了纳米晶热稳定性的反常晶粒尺寸效应，即小于临界尺寸，随着晶粒尺寸减小，材料的变形机制由全位错主导转变为不全位错主导，晶界弛豫机制启动，纳米晶的稳定性不降反升（Science, 360, 2018）。随后，他们发现，尽管与加热条件下的晶界迁移的内在机制不同，纳米晶的在受力条件下的机械稳定性也存在这种反常晶粒尺寸效应（Phys Rev Lett, 122, 2019）。

这些前期的研究成果表明，当通过塑性变形将纯Cu和Ni的晶粒细化到几十纳米时，金属中的无序晶界（GB）的解离会触发GB的自发弛豫，进入低能态。相应的GB能量相应降低，这导致纳米晶粒的热稳定性和机械稳定性大大提高，可防止在较小尺寸下发生粗化。这意味着通过接近晶粒尺寸极限，纳米晶粒结构可能演变成更稳定状态。

文章亮点：

一、受此启发，团队成员通过表面机械研磨处理的两步塑性变形过程，然后在液氮中进行高压扭力，将纯度为99.97 wt%的多晶Cu晶粒细化为纳米级。TEM表征显示，纳米级Cu由尺寸小于10 nm的单个晶粒组成的聚集体和链条组成，相互连接形成连续的网络。

图1：制备的具有极细晶粒的Cu样品的微观结构。

二、进一步采用高分辨率TEM表征单个晶粒，解析其晶格图像。研究发现，晶粒不是弯曲的边界，而是通过多面边界平面(例如(111)和(100)原子平面)来区分自己。这表明，晶粒细化有助于以其他边界为代价，形成多面{111}和{100}边界。

图2：单个晶粒的高分辨率TEM图像。

三、通过在不同温度下进行等温退火，确定了平均粒径为10 nm的铜晶粒的热稳定性。研究发现，明显的晶粒粗化随着退火温度升高至1348 K，仅比Cu的平衡熔点(1357 K)低9 K。将温度升高到1357 K以上会引起熔化，这时所有纳米颗粒都消失了。这表明熔化前似乎没有发生明显的晶粒粗化。

图3：热稳定性和强度表征

四、此外，10 nm晶粒大小的纳米金属铜的纳米压痕硬度高达4.7±0.2 GPa，相当于1.57 GPa的屈服强度。如此高的强度远高于报道的纳米晶铜样品以及非晶铜基合金的数据。要知道 Cu在0 K时的理想剪切强度为2.16 GPa。当考虑温度效应时，纳米压痕测得的剪切强度几乎可以与理想的剪切强度相媲美。五、分子动力学模拟证实，通过应变将晶粒尺寸减小到几纳米之后，多晶中的晶界演化为受孪晶边界网络约束的三维最小界面结构。即使当接近平衡熔点时，这种称为Schwarz晶体的基础的多晶结构也能抵抗晶粒粗化。

图4：Schwarz晶体的原子模型和MD模拟。

参考文献：Constrained minimal-interface structures in polycrystalline copper with extremely fine grains. , Science 370, 831–836 (2020). DOI: 10.1126/science.abe1267

原文连接：https://science.sciencemag.org/content/370/6518/831

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)