微觀世界展新葩——記北京科技大學(xué)教育部長(zhǎng)江學(xué)者講座教授陳龍慶

本刊記者 許素平

微觀世界展新葩
——記北京科技大學(xué)教育部長(zhǎng)江學(xué)者講座教授陳龍慶

本刊記者 許素平

當(dāng)代高新技術(shù)的飛躍發(fā)展，引起材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的不斷變革，使得各種適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的新材料、以及新的材料計(jì)算方法應(yīng)運(yùn)而生。相場(chǎng)方法及多尺度計(jì)算模型正是適應(yīng)了這種需要，成為材料研究領(lǐng)域綻開的一朵新葩。而已在材料科學(xué)領(lǐng)域奮戰(zhàn)了20余年的陳龍慶教授憑著敏銳的眼光及團(tuán)隊(duì)的奮勇拼搏已在國際相關(guān)領(lǐng)域占有了一席之地。

陳龍慶，1962年12月出生，1982年畢業(yè)于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程系，獲學(xué)士學(xué)位。1983年赴美，1985年于紐約州立大學(xué)石溪分校獲碩士學(xué)位，1990年于麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系獲博士學(xué)位，1990至1992年在美國Rutgers大學(xué)做博士后研究。1992年到賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系任教，先后任助理教授、副教授、教授（2002）。并在該系擔(dān)任過副系主任（2000-2002），主管研究生工作。

陳龍慶教授的主要研究方向是發(fā)展先進(jìn)工程材料中預(yù)測(cè)微結(jié)構(gòu)演化的相場(chǎng)方法和多尺度計(jì)算模型。他對(duì)各種相變動(dòng)力學(xué)問題及材料處理過程（包括晶粒生長(zhǎng)、共格沉淀、鐵電疇的形成、晶粒粗化、薄膜中疇結(jié)構(gòu)的演化、有結(jié)構(gòu)缺陷存在時(shí)的相變、強(qiáng)彈性不均勻體系中微觀組織的演化、磁疇結(jié)構(gòu)及鐵磁性馬氏體相變等）創(chuàng)立了一系列新奇的相場(chǎng)模型及多尺度計(jì)算模型。

吹響進(jìn)軍國際前沿的號(hào)角

預(yù)言并控制材料中的微觀結(jié)構(gòu)演化常被認(rèn)為是材料科學(xué)與工程學(xué)科的“圣杯”。陳龍慶教授在賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究組被國際上廣泛地贊譽(yù)為相場(chǎng)方法的領(lǐng)先者，該方法現(xiàn)在已成為預(yù)言材料在加工、合成及使用過程中的微觀結(jié)構(gòu)演化的強(qiáng)有力的計(jì)算工具。陳龍慶研究組建立了許多材料加工處理的相場(chǎng)模型并使之應(yīng)用到實(shí)際中。

單相及復(fù)相材料體系中的晶粒生長(zhǎng)

陳龍慶的研究組建立了第一個(gè)基于相場(chǎng)方法的晶粒生長(zhǎng)模型。利用這一模型，陳龍慶及合作者研究了晶粒生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)及晶粒生長(zhǎng)的拓?fù)鋵W(xué)等?；谟?jì)算機(jī)模擬，他們展示了晶粒生長(zhǎng)中的相關(guān)性是關(guān)鍵因素并由此揭示了解析晶粒生長(zhǎng)模型的一個(gè)長(zhǎng)期存在的缺陷。許多其他的研究組現(xiàn)在正利用這一模型研究各種體系中的晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。陳龍慶研究組還將他們的模型推廣到了多相體系，例如，將晶粒長(zhǎng)大及奧斯瓦爾德熟化用統(tǒng)一模型進(jìn)行研究。利用多相晶粒生長(zhǎng)模型，他們?cè)趪H上第一次能夠?qū)哂懈呤旎喟俜直鹊膬上囿w系中的奧斯瓦爾德熟化過程進(jìn)行系統(tǒng)的研究。這成為了美國國家自然科學(xué)基金會(huì)資助的世界材料網(wǎng)項(xiàng)目以及計(jì)算材料設(shè)計(jì)中心的兩個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)。

塊體單晶及薄膜中的鐵電轉(zhuǎn)變及疇結(jié)構(gòu)

陳龍慶研究組還是單晶材料及有基底限制的薄膜中鐵電疇的相場(chǎng)方法模擬的開創(chuàng)者。它們可被用來定量地預(yù)測(cè)鐵電相變溫度及電疇結(jié)構(gòu)隨基底的晶格常數(shù)及薄膜取向的依賴關(guān)系。與實(shí)驗(yàn)科學(xué)家合作，這些模型已被用于對(duì)分子束外延以及脈沖激光沉積提供指導(dǎo)，并獲得了令人驚訝的性質(zhì)。他們與賓夕法尼亞州立大學(xué)Schlom研究組及其他合作者的合作產(chǎn)生了一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)：基底約束可導(dǎo)致SrTiO3薄膜的室溫鐵電性，這種材料在不存在基底約束應(yīng)力的情況下在室溫是非鐵電的。模擬發(fā)現(xiàn)，基底約束戲劇性地改變了體系的相圖，甚至導(dǎo)致新相的生成。

搞清矯頑場(chǎng)（使凈極化強(qiáng)度為零的外電場(chǎng)大?。┑挠绊懸蛩?，是鐵電學(xué)中的一個(gè)長(zhǎng)期問題。陳龍慶研究組近期關(guān)于鐵電疇轉(zhuǎn)換特性的系列工作，已使在實(shí)驗(yàn)中觀察到的矯頑場(chǎng)往往比以前理論所預(yù)言的要小很多這一現(xiàn)象的根本原因見到曙光。該研究組的理論預(yù)言還對(duì)他在加利福尼亞大學(xué) Berkeley分校的實(shí)驗(yàn)合作者提供了指導(dǎo)，幫助他們理解了疇的穩(wěn)定因素，并大大地改善了應(yīng)用于存儲(chǔ)元件的BiFeO3材料中疇的穩(wěn)定性。

他們還將在鐵電薄膜方面的工作拓展到了多鐵體系，這涉及非常令人感興趣的兩種或兩種以上鐵性相轉(zhuǎn)變之間的耦合，這些材料在制作新的記憶元件方面具有潛在的應(yīng)用前景。

微觀結(jié)構(gòu)演化的多尺度模型

陳龍慶和他的合作者提出了多個(gè)多尺度計(jì)算模型，將第一性原理、CALPHAD數(shù)據(jù)庫以及微觀結(jié)構(gòu)演化的相場(chǎng)模擬結(jié)合起來，構(gòu)建應(yīng)用于合金設(shè)計(jì)的科學(xué)與工程計(jì)算工具。例如，他們展示了三種最新水平的技術(shù)應(yīng)如何結(jié)合來建立原子尺度與微觀組織結(jié)構(gòu)之間的橋梁：（1）第一原理計(jì)算，（2）混合空間團(tuán)簇近似，（3）擴(kuò)散界面相場(chǎng)模型。最近，他們提出了一個(gè)方法，它使人們可以直接從第一原理計(jì)算來預(yù)言共格析出相的形貌。這涉及第一原理計(jì)算、混合空間團(tuán)簇及Monte-Carlo模擬。不需要任何事先假設(shè)，他們預(yù)言了Al-Cu合金中由應(yīng)變導(dǎo)制的長(zhǎng)程相互作用所控制的一般析出形貌。Ni-Al二元合金γ析出相的粗化動(dòng)力學(xué)則由三維相場(chǎng)模型及CALPHAD近似來研究。這種綜合性模型能夠定量的預(yù)言形貌演化，平均析出物尺寸，以及尺寸分布隨時(shí)間及成分的變化。這些多尺度概念是一個(gè)美國航天局和一個(gè)自然科學(xué)基金重大予研究項(xiàng)目的主要思想。

缺陷的微結(jié)構(gòu)與相相互作用的相場(chǎng)模型

陳龍慶研究組提出了一個(gè)整合相與缺陷微結(jié)構(gòu)的相場(chǎng)模型。這個(gè)模型第一次使包含任意分布的結(jié)構(gòu)缺陷（如位錯(cuò)）成為可能。與Khachaturyan研究組在建立位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)相場(chǎng)模型方面的突破一道，它們提供了令人激動(dòng)的可同時(shí)演化相和缺陷微觀結(jié)構(gòu)的可能性，由此可探討化學(xué)效應(yīng)對(duì)塑性的影響。這一模型還被用來模擬具有周期性分布的界面位錯(cuò)陣列的薄膜中的Spinodal分解過程，結(jié)果顯示出，與界面位錯(cuò)陣列相聯(lián)系的周期性應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致了方向性的相分離及有序的納米級(jí)微觀結(jié)構(gòu)的形成。這一結(jié)果具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，有序的納米結(jié)構(gòu)可通過控制界面位錯(cuò)分布而形成。

應(yīng)變對(duì)固態(tài)相變的影響

1990年代，與R u g t e r s大學(xué)的Khachaturyan教授和王云志一道，陳龍慶在不同體系中使用擴(kuò)散界面模型研究應(yīng)變主導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)演化方面做出了先驅(qū)性的工作。他提出了一個(gè)可用于預(yù)言相變后具有格子形及孿晶結(jié)構(gòu)形成，并導(dǎo)致晶格點(diǎn)群對(duì)稱性降低情況下的動(dòng)力學(xué)模型。這一模型為以后許多有關(guān)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，其中包括馬氏體相變的相場(chǎng)模型的建立奠定了基礎(chǔ)。他關(guān)于彈性應(yīng)變效應(yīng)的工作是第一個(gè)預(yù)言應(yīng)變?cè)谟行蚪饘匍g化合物脫溶方面所起作用的工作。他們進(jìn)行了第一個(gè)系統(tǒng)地有關(guān)彈性應(yīng)變效應(yīng)對(duì)同構(gòu)雙相體系影響的計(jì)算機(jī)模擬。他們發(fā)現(xiàn)了很多種有趣的應(yīng)變導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，其中包括選擇性及各向異性生長(zhǎng)，逆粗化過程，微粒平移運(yùn)動(dòng)，微粒形狀轉(zhuǎn)變及分裂。最近，陳龍慶教授和他在賓夕法尼亞州立大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)的合作者解決了一個(gè)有關(guān)固體中形核的長(zhǎng)期的材料科學(xué)問題，即不需任何預(yù)先假定，就可預(yù)測(cè)固態(tài)相變中臨界晶核的形狀。

此外，陳龍慶研究組還是最早提倡將基本應(yīng)變效應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用的重要合金體系中的人之一。特別是，他們針對(duì)一些共格結(jié)構(gòu)相變建立了一系列相場(chǎng)模型，其中包括立方-四方相脫溶反應(yīng),立方-菱方相變, 外應(yīng)力條件下的相變以及六角-斜方晶系相變。這些模型其后被用來預(yù)測(cè)不同的實(shí)際應(yīng)用的合金體系中的脫溶相形貌的演化。

彈性非均勻體系的微觀結(jié)構(gòu)演化

陳龍慶的小組在彈性非均勻體系的介觀尺度模擬方面獲得了突破性的進(jìn)展。他們建立了一個(gè)用于模擬強(qiáng)彈性各向異性及強(qiáng)非均勻體系的高效計(jì)算模型。這是一項(xiàng)重要的進(jìn)展，因?yàn)樗谝淮问谷藗儗⑷我獾膹椥苑蔷鶆蛐园ǖ轿⒂^結(jié)構(gòu)演化的相場(chǎng)模型之中。陳龍慶小組將此模型應(yīng)用于薄膜不穩(wěn)定性及微觀結(jié)構(gòu)演化方面以及鐵電/非鐵電超晶格中。這一模型在研究其它的材料加工過程中還將有很多潛在的應(yīng)用。例如，他們已將這一模型推廣到多晶情況，這將使人們可以預(yù)測(cè)在任意微觀結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力；應(yīng)力作用下晶粒生長(zhǎng)的演化過程以及復(fù)雜的多相微觀結(jié)構(gòu)的有效彈性模量。

擴(kuò)散型相變的動(dòng)力學(xué)

陳龍慶教授做出了重要貢獻(xiàn)的另一相變領(lǐng)域是擴(kuò)散控制的有序金屬間化合物從無序基體中的脫溶機(jī)制和動(dòng)力學(xué)，這涉及同步的有序化和團(tuán)聚化過程。陳教授及其合作者成功地預(yù)言了一種有序金屬間化合物的脫溶機(jī)理。他們還發(fā)現(xiàn)了相分離時(shí)贗有序相的可能的中間態(tài)的外觀，這一預(yù)測(cè)后來在多種合金體系中被驗(yàn)證，它還解釋了在三元及四元半導(dǎo)體III-VI化合物及SiGe的分子束外延薄層中的有序相可能是贗有序相。后來，他們又證明，這種贗有序相能夠在無序基底中脫溶時(shí)產(chǎn)生。他們還展示出長(zhǎng)程與短程相互作用之間的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致一種介觀相，即在二元均勻無序固溶體分解為一種平衡的有序-無序兩相混合物時(shí)，有序的晶體顆粒呈周期性地析出于無序合金的基體中。最后，陳龍慶課題組還在三元合金微觀結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模擬方面的作出了前沿的工作，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象。

構(gòu)造相場(chǎng)模型的先進(jìn)數(shù)值算法

陳教授課題組對(duì)發(fā)展解相場(chǎng)方程的高效數(shù)值算法做出了重要貢獻(xiàn)。特別是，通過與數(shù)學(xué)家的合作，他們構(gòu)造了一個(gè)高效而且準(zhǔn)確的解相場(chǎng)方程的半隱傅立葉譜方法，包括那些具有可變系數(shù)的情況。最近，一個(gè)自適應(yīng)的可移動(dòng)網(wǎng)格傅立葉譜方法已經(jīng)被提出。這些算法與傳統(tǒng)的歐拉有限差分方法相比，無論在效率還是在精度方面都提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

享受“授人以漁”的快樂

陳龍慶教授課題組的研究成就已經(jīng)得到美國多項(xiàng)重大研究項(xiàng)目資助。他與國際一些優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)科學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家及計(jì)算材料科學(xué)家同事進(jìn)行了廣泛的合作，建立的許多計(jì)算模型和數(shù)值算法被其他的研究組采用或進(jìn)一步開發(fā)。他發(fā)表了250多篇第一作者或合作論文，其中包含 Nature, Science, Advanced Materials,Physical Review Letters等重要雜志。他的論文被高頻次引用，引用率達(dá)5500多次。

他承擔(dān)著多項(xiàng)美國自然科學(xué)基金及其它重要基金的重大項(xiàng)目及面上項(xiàng)目。并先后于1995年獲得美國海軍研究局的青年研究人才獎(jiǎng)，1999年獲美國國家自然科學(xué)基金的特殊創(chuàng)新研究獎(jiǎng)，2000年獲賓州州立大學(xué)地球與礦物科學(xué)學(xué)院威爾遜獎(jiǎng)，2001年獲賓夕法尼亞州立大學(xué)地礦學(xué)院的杰伊克研究獎(jiǎng)，2003年獲得賓州州立大學(xué)工程學(xué)者獎(jiǎng)?wù)?2005年獲得Guggenheim基金會(huì)授予的Guggenheim學(xué)者，2006年獲得美國ASM材料研究銀獎(jiǎng)，2008年當(dāng)選美國物理學(xué)會(huì)會(huì)士（APS Fellow）。

2004年，陳龍慶教授獲得了中國國家自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目下的海外合作基金。現(xiàn)擔(dān)任北京科技大學(xué)“教育部長(zhǎng)江學(xué)者講座教授”。

科學(xué)研究盡管辛苦，但是陳龍慶樂在其中，他經(jīng)常說自己充分享受著難題被破解后的快樂。陳龍慶想得更多的是“如何帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在相場(chǎng)模型世界走得更遠(yuǎn)、更深”。