葉恒強(qiáng)：走進(jìn)材料科學(xué)“亞?！笔澜?/h1>
2019-11-30 07:32:02甘曉
科技傳播 2019年21期
材料創(chuàng)新正在重塑人類生活。創(chuàng)造新材料并讓其所具備的性能為人類所用，不僅可以解決諸多前沿科學(xué)問(wèn)題，也為保障國(guó)家重大需求提供了科學(xué)支撐，成為全球科學(xué)家的重要目標(biāo)。而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，進(jìn)入越來(lái)越小的微觀世界至關(guān)重要。
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家沉浸在材料科學(xué)的微觀世界中，取得了多項(xiàng)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(zhì)中原子的排列，深入了解材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)聯(lián)性。從納米尺度制備抗癌藥物，能夠促進(jìn)藥物溶解、改善吸收、提高靶向性從而提高有效性，為癌癥治療帶來(lái)福音。
本期自然科學(xué)基金版將總結(jié)國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目的研究進(jìn)展，展示其取得的成績(jī)。
埃是一個(gè)長(zhǎng)度單位，比納米還小一個(gè)數(shù)量級(jí)。顧名思義，亞埃，則是比埃更小的尺度。進(jìn)入亞埃的“次元”，科學(xué)家就能看清宏觀物質(zhì)中原子的排列，這將極大促進(jìn)材料科學(xué)的發(fā)展。
在國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“材料界面的亞埃尺度結(jié)構(gòu)和材料性能”的資助下，由中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員葉恒強(qiáng)領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)利用象差校正電子顯微鏡，對(duì)不同材料中精細(xì)原子構(gòu)型和性能開展了研究。
“走進(jìn)亞埃世界，我們不僅解決了諸多前沿科學(xué)問(wèn)題，也為保障國(guó)家重大需求提供了科學(xué)支撐?！比~恒強(qiáng)說(shuō)。
來(lái)得正當(dāng)其時(shí)
“材料科學(xué)的核心問(wèn)題，是研究結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。”葉恒強(qiáng)說(shuō)。
搞了大半輩子材料科學(xué)，葉恒強(qiáng)自然對(duì)材料科學(xué)的核心問(wèn)題諳熟于心?！安牧侠锩媸鞘裁礃幼?、原子怎么排列、原子種類是什么樣的、各個(gè)組織結(jié)構(gòu)是什么樣子，這和宏觀表現(xiàn)出來(lái)的性能有密切聯(lián)系?！彼麖?qiáng)調(diào)。
材料科學(xué)家很清楚，要看清原子，必須借助分辨率更高的顯微鏡?！氨热纾酒枰趲讉€(gè)納米的尺寸里做很復(fù)雜的晶體管，對(duì)材料要求很高?！比~恒強(qiáng)解釋。
20 世紀(jì)末，德國(guó)科學(xué)家研發(fā)的“象差校正顯微鏡”通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段，消除了電子顯微鏡物鏡存在的“離域效應(yīng)”，使電子顯微鏡的分辨率挺進(jìn)“亞?！背叨?。
葉恒強(qiáng)用“正當(dāng)其時(shí)”來(lái)形容“象差校正顯微鏡”的出現(xiàn)。他認(rèn)為，檢測(cè)設(shè)備的突破，與材料科學(xué)發(fā)展的需求，剛好走到了一起。
2008 年，中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授朱靜研究組引進(jìn)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)“象差校正顯微鏡”，這令中國(guó)材料學(xué)家感到振奮。有了這桿“槍”，那么，如何利用好它命中目標(biāo)，成為擺在中國(guó)材料學(xué)家面前的問(wèn)題。
2013 年8 月，葉恒強(qiáng)帶領(lǐng)的課題組申請(qǐng)了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“材料界面的亞埃尺度結(jié)構(gòu)和材料性能”，并于2014 年1 月獲批。
實(shí)現(xiàn)“三個(gè)推進(jìn)”
2019 年3 月，該項(xiàng)目順利結(jié)題?？偨Y(jié)起來(lái)，科學(xué)家們?cè)谶@一項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了“三個(gè)推進(jìn)”。
首先，推進(jìn)了材料結(jié)構(gòu)與性能之間的“關(guān)聯(lián)性”?！安粌H用象差校正顯微鏡獲得了一些材料的圖像，關(guān)鍵是把這些圖像中的信息和材料的性能聯(lián)系在了一起，包括力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性能?！比~恒強(qiáng)介紹。
例如，葉恒強(qiáng)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在微小的尺度上對(duì)納米孿晶銅的力學(xué)性能給出了科學(xué)解釋，同時(shí)，對(duì)鈦合金、鎂合金的溶質(zhì)原子和缺陷的相互作用對(duì)性能的影響開展了研究。
第二，推進(jìn)了材料科學(xué)作為國(guó)家重大戰(zhàn)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(jī)制”開展了深入研究。多年來(lái)，研究人員觀察到，單晶合金在高溫和外力下會(huì)發(fā)生宏觀上的形變，被稱為“蠕變”。這一現(xiàn)象為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，成為一個(gè)“卡脖子”問(wèn)題。
在該重大項(xiàng)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(jī)理。研究人員發(fā)現(xiàn)，“蠕變”本質(zhì)上源自合金中微觀結(jié)構(gòu)的變化，而貴金屬錸、釕的加入，則有助于通過(guò)阻礙微觀結(jié)構(gòu)變化而防止“蠕變”發(fā)生，起到強(qiáng)化合金的作用。
第三，推進(jìn)了材料科學(xué)面向未來(lái)的科學(xué)支撐。執(zhí)行項(xiàng)目期間，研究人員對(duì)鐵電、鐵磁材料表面重構(gòu)等基本科學(xué)問(wèn)題開展了深入研究?！斑@些研究成果還不能馬上應(yīng)用，而是對(duì)未來(lái)材料發(fā)展的一種積累。”葉恒強(qiáng)指出。
浙江大學(xué)教授王勇帶領(lǐng)研究組，搭建了原位和環(huán)境氣氛的電鏡平臺(tái)，在熱電材料和納米催化劑方面做出了國(guó)際水平的成果。
“布局開展基礎(chǔ)研究，不僅要解決當(dāng)前的前沿科學(xué)問(wèn)題，也應(yīng)當(dāng)同時(shí)面向國(guó)家重大需求，還應(yīng)具有高瞻遠(yuǎn)矚的眼光，為未來(lái)科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)作打算。”葉恒強(qiáng)強(qiáng)調(diào)。
三代人，一條心
5 年來(lái)，來(lái)自不同地區(qū)和學(xué)校的研究人員凝聚成一個(gè)“大家庭”，齊心協(xié)力共攀科學(xué)高峰。
“我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)有三代人。”葉恒強(qiáng)介紹。年過(guò)八旬的葉恒強(qiáng)和朱靜是第一代人，花甲之年的西安交通大學(xué)教授賈春林是第二代人，“70 后”的于榮和王勇則是正當(dāng)年的第三代。
在該重大項(xiàng)目中，賈春林帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了一項(xiàng)有趣的工作。在一種被稱為“鉍鋅鈮酸鹽燒綠石”的物質(zhì)中，他們利用象差校正電子顯微鏡拍攝不同時(shí)間的圖像，直接觀察到了過(guò)去理論假設(shè)的原子跳躍現(xiàn)象。這項(xiàng)工作被認(rèn)為是對(duì)象差校正電子顯微鏡應(yīng)用方法的發(fā)展。
2014 年，賈春林獲國(guó)際顯微學(xué)聯(lián)合會(huì)“橋本獎(jiǎng)”（Hashimoto），是中國(guó)人首次獲得這一獎(jiǎng)項(xiàng)。
2018 年，朱靜因在電子顯微學(xué)前沿和相關(guān)材料科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域56 年的辛勤工作，榮獲中國(guó)電子顯微學(xué)會(huì)首屆“中國(guó)電子顯微學(xué)終身成就獎(jiǎng)”。
于榮向表示：“這個(gè)三代人的團(tuán)隊(duì)像一個(gè)大家庭一樣溫暖，老一輩科學(xué)家為我們樹立起好榜樣，不受功利思想的影響，堅(jiān)持長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)，是我們精神上的燈塔?！?/p>
于榮的工作主要集中在絕緣體材料的表面?！坝捎诓粚?dǎo)電，絕緣體表面結(jié)構(gòu)很難用電子顯微鏡去觀察，所以這個(gè)領(lǐng)域在材料科學(xué)中很少有人涉足。但又因?yàn)榇呋瘎┰O(shè)計(jì)往往都在絕緣體載體上，所以這一方向又顯得格外重要?！庇跇s回憶。
在朱靜的鼓勵(lì)下，于榮看準(zhǔn)了這個(gè)方向，沉下心做科研。2012 年，他帶領(lǐng)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(gè)像素一個(gè)像素?fù)?，花了整? 年時(shí)間分析出表面結(jié)構(gòu)。
結(jié)果讓于榮感到驚奇：“真實(shí)的圖像竟然和此前的理論計(jì)算結(jié)果都不一致?！焙芸?，2018 年，他們將這一結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》上。
該重大項(xiàng)目對(duì)國(guó)內(nèi)采用象差校正電子顯微鏡開展材料科學(xué)研究發(fā)揮了引領(lǐng)和帶動(dòng)作用。
據(jù)葉恒強(qiáng)介紹，單從數(shù)量來(lái)看，象差校正電子顯微鏡從項(xiàng)目啟動(dòng)之初的10 臺(tái)左右，增加到2018 年的約100 臺(tái)左右?！拔覀冇脤?shí)際工作告訴大家，應(yīng)該用這樣一種先進(jìn)的技術(shù)去解決材料科學(xué)中的問(wèn)題?！彼麖?qiáng)調(diào)。
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在國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“材料界面的亞埃尺度結(jié)構(gòu)和材料性能”的資助下，由中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員葉恒強(qiáng)領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)利用象差校正電子顯微鏡，對(duì)不同材料中精細(xì)原子構(gòu)型和性能開展了研究。
“走進(jìn)亞埃世界，我們不僅解決了諸多前沿科學(xué)問(wèn)題，也為保障國(guó)家重大需求提供了科學(xué)支撐?！比~恒強(qiáng)說(shuō)。
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葉恒強(qiáng)用“正當(dāng)其時(shí)”來(lái)形容“象差校正顯微鏡”的出現(xiàn)。他認(rèn)為，檢測(cè)設(shè)備的突破，與材料科學(xué)發(fā)展的需求，剛好走到了一起。
2008 年，中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授朱靜研究組引進(jìn)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)“象差校正顯微鏡”，這令中國(guó)材料學(xué)家感到振奮。有了這桿“槍”，那么，如何利用好它命中目標(biāo)，成為擺在中國(guó)材料學(xué)家面前的問(wèn)題。
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首先，推進(jìn)了材料結(jié)構(gòu)與性能之間的“關(guān)聯(lián)性”?！安粌H用象差校正顯微鏡獲得了一些材料的圖像，關(guān)鍵是把這些圖像中的信息和材料的性能聯(lián)系在了一起，包括力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性能?！比~恒強(qiáng)介紹。
例如，葉恒強(qiáng)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在微小的尺度上對(duì)納米孿晶銅的力學(xué)性能給出了科學(xué)解釋，同時(shí)，對(duì)鈦合金、鎂合金的溶質(zhì)原子和缺陷的相互作用對(duì)性能的影響開展了研究。
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在該重大項(xiàng)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(jī)理。研究人員發(fā)現(xiàn)，“蠕變”本質(zhì)上源自合金中微觀結(jié)構(gòu)的變化，而貴金屬錸、釕的加入，則有助于通過(guò)阻礙微觀結(jié)構(gòu)變化而防止“蠕變”發(fā)生，起到強(qiáng)化合金的作用。
第三，推進(jìn)了材料科學(xué)面向未來(lái)的科學(xué)支撐。執(zhí)行項(xiàng)目期間，研究人員對(duì)鐵電、鐵磁材料表面重構(gòu)等基本科學(xué)問(wèn)題開展了深入研究?！斑@些研究成果還不能馬上應(yīng)用，而是對(duì)未來(lái)材料發(fā)展的一種積累。”葉恒強(qiáng)指出。
浙江大學(xué)教授王勇帶領(lǐng)研究組，搭建了原位和環(huán)境氣氛的電鏡平臺(tái)，在熱電材料和納米催化劑方面做出了國(guó)際水平的成果。
“布局開展基礎(chǔ)研究，不僅要解決當(dāng)前的前沿科學(xué)問(wèn)題，也應(yīng)當(dāng)同時(shí)面向國(guó)家重大需求，還應(yīng)具有高瞻遠(yuǎn)矚的眼光，為未來(lái)科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)作打算。”葉恒強(qiáng)強(qiáng)調(diào)。
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在該重大項(xiàng)目中，賈春林帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了一項(xiàng)有趣的工作。在一種被稱為“鉍鋅鈮酸鹽燒綠石”的物質(zhì)中，他們利用象差校正電子顯微鏡拍攝不同時(shí)間的圖像，直接觀察到了過(guò)去理論假設(shè)的原子跳躍現(xiàn)象。這項(xiàng)工作被認(rèn)為是對(duì)象差校正電子顯微鏡應(yīng)用方法的發(fā)展。
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2018 年，朱靜因在電子顯微學(xué)前沿和相關(guān)材料科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域56 年的辛勤工作，榮獲中國(guó)電子顯微學(xué)會(huì)首屆“中國(guó)電子顯微學(xué)終身成就獎(jiǎng)”。
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于榮的工作主要集中在絕緣體材料的表面?！坝捎诓粚?dǎo)電，絕緣體表面結(jié)構(gòu)很難用電子顯微鏡去觀察，所以這個(gè)領(lǐng)域在材料科學(xué)中很少有人涉足。但又因?yàn)榇呋瘎┰O(shè)計(jì)往往都在絕緣體載體上，所以這一方向又顯得格外重要?！庇跇s回憶。
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據(jù)葉恒強(qiáng)介紹，單從數(shù)量來(lái)看，象差校正電子顯微鏡從項(xiàng)目啟動(dòng)之初的10 臺(tái)左右，增加到2018 年的約100 臺(tái)左右?！拔覀冇脤?shí)際工作告訴大家，應(yīng)該用這樣一種先進(jìn)的技術(shù)去解決材料科學(xué)中的問(wèn)題?！彼麖?qiáng)調(diào)。
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