他，16岁上大学，38岁当选院士，53岁出任副省长，再发Science！
2025-11-07 11:38:55
作者：高分子科学前沿 来源：高分子科学前沿
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他，16岁上大学，30岁成为博士生导师，32岁任国家重点实验室主任，36岁出任中科院金属所所长；38岁当选中国科学院院士，40岁当选德国科学院院士，41岁成为《Science》首位中国评审编辑；，53岁当选美国科学院外籍院士。从本科到博士，他一直在国内接受教育，是地地道道的“中国制造”科学家。2020年，他因在纳米金属强化领域的开创性贡献荣获“未来科学大奖·物质科学奖”。他就是中国科学院院士、原辽宁省副省长、沈阳材料科学国家研究中心主任卢柯。卢柯院士长期深耕金属材料科学，率先揭示了纳米金属的变形与稳定性机制：2000年，他发现纳米铜在室温下具超塑延展性，登上《Science》；2003–2004年，再次在《Science》报道铁表面纳米化与“纳米孪晶”发现；2011年提出“梯度纳米结构”概念，实现强度与塑性的兼得；2017–2020年连续揭示纳米晶强化、热稳定性及界面结构新机制；迄今为止，他已发表14篇《Science》、1篇《Nature》，是全球金属材料领域当之无愧的领军人物。打破金属强化极限！发现“负能界面”让镍合金强度逼近理论极限！在金属材料领域，一个长期存在的难题是当晶粒细化到极限时，材料会“反而变软”。这是因为在纳米尺度下，晶界或孪晶界变得极不稳定，会滑动、旋转甚至消失，使金属失去应有的强化效果。如何在极端尺寸下仍保持结构稳定，从而进一步突破强度上限？这是材料科学家几十年来梦寐以求的目标。在此中国科学院金属研究所卢柯院士、李秀艳研究员合作在镍-钼合金中发现并构建了一类“负多余能界面”（negative excess-energy interface, NEI）。这些界面不仅不会削弱材料，反而能让晶格更稳、更强，其密度可高达每纳米一个，让金属强度逼近理论值，弹性模量达到254.5 GPa，远超所有已知镍基合金和金属玻璃。这一发现刷新了人们对金属界面能量和稳定性的传统认知，为设计超高强度金属开辟了全新方向。相关成果以“Strengthening Ni alloys with nanoscale interfaces of negative excess energy”为题发表在《Science》上，Jiongxian Li为第一作者。过去的强化手段主要依赖“细化晶粒”——晶界越多，滑移受阻越强，强度越高。但当晶粒小于约10 nm时，情况急转直下：晶界活动（迁移、旋转）主导塑性变形，导致“反Hall–Petch效应”，金属开始变软。后来人们引入低能孪晶界（TB）来延缓滑移，虽然能提高强度，但在高密度下孪晶同样会因位错作用而失稳。那么，是否存在比孪晶更稳定的界面？研究团队从理论和实验双向出发，提出一个全新概念：在特定合金体系中，若界面的形成能为负值（即“负多余能”），则这种界面将自发稳定存在，并成为天然的强化源。他们选择了钼含量高达26 at%的Ni(Mo)过饱和固溶体——钼能显著降低镍的层错能（从230 mJ/m²降至约16 mJ/m²），使得材料更容易形成致密的层错与孪晶层（图1a）。通过脉冲电沉积法制备的镍-钼合金薄片在热处理后形成了由纳米晶与层错交织构成的“密排结构迷宫”（图1b）。在透射电镜下，可以看到晶粒内部遍布高密度的层错（SF）和双晶界（TB），它们以仅0.7 nm的间距交替排列（图1c、1e），构成极为独特的纳米层状界面体系。原子级界面新相：稳定的“ABC–ABAB”混排结构常规面心立方（FCC）金属的原子层遵循ABCABC堆垛，而在镍-钼合金中，研究者发现出现了大量混合了ABAB堆垛的六方密排（HCP）层，形成了局部“FCC–HCP”共存结构（图2b）。这种结构本应不稳定，但在实验中却极为持久。统计表明，随着退火温度升高，ABAB层比例从4%增至27%，其界面占比高达39%，几乎每10个原子层就有4个是界面层（图2g）。为何这些界面如此稳定？团队利用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算揭示了答案（图2h–l）：当FCC相（D022结构）与HCP相（D0a结构）以特定取向（Shoji–Nishiyama关系）共存时，两者之间的界面能竟然为负值（–8.7至–19.5 mJ/m²）。换言之，界面的存在反而降低了体系总能量！这意味着这种“负能界面”不再是缺陷，而是促进晶体稳定的“有益结合面”。因此，在镍-钼体系中，界面越多，材料越稳、越强，这与传统金属观念完全相反。这些超高密度负能界面对材料力学性能的影响是惊人的。团队通过显微柱压缩实验发现，样品在弹性阶段应力随应变线性上升，直到约2%应变处骤然断裂，峰值应力高达5.08 GPa（图3a）。这一数值几乎接近镍的理论强度极限。更令人瞩目的是，在多次加载-卸载循环中，应力–应变曲线几乎完全重合（图3b），说明整个变形过程是可逆且无塑性流动的——材料像弹簧一样可反复承受巨大应力而不永久变形。扫描电镜显示断裂表面呈现40°倾角剪切面，典型的脆性断裂特征（图3c）。硬度测试进一步证实其强化趋势：随着界面密度增大，硬度从12.2 GPa升至13.5 GPa，远超Ni₃Mo化合物（8.4 GPa）和玻璃态样品（7.0 GPa）。绘制强度与界面间距的关系图后可见，该Ni(Mo)合金的数据点完全跳出了传统纳米晶与纳米孪晶镍的性能上限区域（图3d），形成一个全新的强化“分支”。在纳米压痕测试中，纯镍的杨氏模量约为190 GPa，而Ni(Mo)玻璃为122 GPa。随着负能界面密度增加，Ni(Mo)固溶体的模量线性提升：从207.8 GPa一路上升至254.5 GPa（图4b），不仅高于所有镍基化合物，也超过部分陶瓷和氧化物材料。值得注意的是，这种模量增强与Mo含量和制备方式无关，说明“NEI效应”是普适的物理机制。理论分析表明，层错和界面附近的原子会因非对称力场发生微畸变（约2%），并在电子结构上形成高密度局域态，显著增强键合刚度。这种“界面强化的弹性”为金属材料提供了新的设计思路：不再依赖化学成分，而是通过界面工程改变晶格内键合能。在强度–模量的阿什比图上（图4c），Ni(Mo)样品的数据点集中在E/40–E/50范围，逼近理论强度线，超越所有传统合金体系，与高强陶瓷相当。这意味着，金属也能像陶瓷那样“刚如磐石”，但又保持金属本征的连续结构——这是以往几乎无法想象的。这项工作不仅创造了性能新纪录，更重要的是提出了界面能“可为负”的全新材料设计理念。以往人们将界面视为能量高、易失稳的“缺陷区”，而本研究证明，在特定晶格匹配条件下，界面能可以低于母相，从而成为材料稳定性的源泉。理论计算显示，在镍的其他二元体系中，如Ni–W、Ni–Ta、Ni–Nb、Ni–Mn等，也存在类似的负能界面特征。这意味着通过界面结构调控，有望在更广泛的金属体系中复制这种强化机制。未来，通过控制退火、沉积等工艺，实现可控生成高密度NEI，将使高强度金属的设计从“化学合金化”走向“结构能工程”。
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