走進材料科學(xué)“亞?！笔澜?/p>
——記國家自然科學(xué)基金重大項目“材料界面的亞埃尺度結(jié)構(gòu)和材料性能”
編者按
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)問題，也為保障國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)。而要實現(xiàn)這一目標(biāo)，進入越來越小的微觀世界至關(guān)重要。
近年來，中國科學(xué)家沉浸在材料科學(xué)的微觀世界中，取得了多項突破性成果。
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，為癌癥治療帶來福音。
本期自然科學(xué)基金版將總結(jié)國家自然科學(xué)基金重大項目的研究進展，展示其取得的成績。
賈春林（右一）在指導(dǎo)研究人員開展實驗
■本報記者 甘曉
埃是一個長度單位，比納米還小一個數(shù)量級。顧名思義，亞埃，則是比埃更小的尺度。進入亞埃的“次元”，科學(xué)家就能看清宏觀物質(zhì)中原子的排列，這將極大促進材料科學(xué)的發(fā)展。
在國家自然科學(xué)基金重大項目“材料界面的亞埃尺度結(jié)構(gòu)和材料性能”的資助下，由中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院金屬研究所研究員葉恒強領(lǐng)銜的團隊利用象差校正電子顯微鏡，對不同材料中精細(xì)原子構(gòu)型和性能開展了研究。
“走進亞埃世界，我們不僅解決了諸多前沿科學(xué)問題，也為保障國家重大需求提供了科學(xué)支撐?！比~恒強告訴《中國科學(xué)報》。
來得正當(dāng)其時
“材料科學(xué)的核心問題，是研究結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系?！彪娫捘穷^，葉恒強的普通話中隱約夾雜著粵港口音。盡管在沈陽生活了近半個世紀(jì)，成長在南粵大地的他仍鄉(xiāng)音難改。
搞了大半輩子材料科學(xué)，葉恒強自然對材料科學(xué)的核心問題諳熟于心?！安牧侠锩媸鞘裁礃幼?、原子怎么排列、原子種類是什么樣的、各個組織結(jié)構(gòu)是什么樣子，這和宏觀表現(xiàn)出來的性能有密切聯(lián)系?！彼麖娬{(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。“比如，芯片需要在幾個納米的尺寸里做很復(fù)雜的晶體管，對材料要求很高。”葉恒強解釋。
上世紀(jì)末，德國科學(xué)家研發(fā)的“象差校正顯微鏡”通過先進的技術(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“亞埃”尺度。
葉恒強用“正當(dāng)其時”來形容“象差校正顯微鏡”的出現(xiàn)。他認(rèn)為，檢測設(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，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授朱靜研究組引進了國內(nèi)首臺“象差校正顯微鏡”，這令中國材料學(xué)家感到振奮。有了這桿“槍”，那么，如何利用好它命中目標(biāo)，成為擺在中國材料學(xué)家面前的問題。
2013年8月，葉恒強帶領(lǐng)的課題組申請了國家自然科學(xué)基金重大項目“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。
實現(xiàn)“三個推進”
2019年3月，該項目順利結(jié)題?？偨Y(jié)起來，科學(xué)家們在這一項目中實現(xiàn)了“三個推進”。
首先，推進了材料結(jié)構(gòu)與性能之間的“關(guān)聯(lián)性”。“不僅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~恒強介紹。
例如，葉恒強帶領(lǐng)的團隊在微小的尺度上對納米孿晶銅的力學(xué)性能給出了科學(xué)解釋，同時，對鈦合金、鎂合金的溶質(zhì)原子和缺陷的相互作用對性能的影響開展了研究。
第二，推進了材料科學(xué)作為國家重大戰(zhàn)略需求保障的作用。例如，朱靜課題組圍繞高溫合金的“蠕變機制”開展了深入研究。多年來，研究人員觀察到，單晶合金在高溫和外力下會發(fā)生宏觀上的形變，被稱為“蠕變”。這一現(xiàn)象為航空發(fā)動機葉片制造帶來極大挑戰(zhàn)，成為一個“卡脖子”問題。
在該重大項目支持下，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，則有助于通過阻礙微觀結(jié)構(gòu)變化，起到強化合金的作用。
第三，推進了材料科學(xué)面向未來的科學(xué)支撐。執(zhí)行項目期間，研究人員對鐵電、鐵磁材料表面重構(gòu)等基本科學(xué)問題開展了深入研究。“這些研究成果還不能馬上應(yīng)用，而是對未來材料發(fā)展的一種積累?！比~恒強指出。
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，在熱電材料和納米催化劑方面做出了國際水平的成果。
“布局開展基礎(chǔ)研究，不僅要解決當(dāng)前的前沿科學(xué)問題，也應(yīng)當(dāng)同時面向國家重大需求，還應(yīng)具有高瞻遠(yuǎn)矚的眼光，為未來科學(xué)發(fā)展趨勢作打算?！比~恒強強調(diào)。
三代人，一條心
5年來，來自不同地區(qū)和學(xué)校的研究人員凝聚成一個“大家庭”，齊心協(xié)力共攀科學(xué)高峰。
“我們這個團隊有三代人。”葉恒強介紹。年過八旬的葉恒強和朱靜是第一代人，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。
在該重大項目中，賈春林帶領(lǐng)團隊開展了一項有趣的工作。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間的圖像，直接觀察到了過去理論假設(shè)的原子跳躍現(xiàn)象。這項工作被認(rèn)為是對象差校正電子顯微鏡應(yīng)用方法的發(fā)展。
2014年，賈春林獲國際顯微學(xué)聯(lián)合會“橋本獎”（Hashimoto），是中國人首次獲得這一獎項。
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，榮獲中國電子顯微學(xué)會首屆“中國電子顯微學(xué)終身成就獎”。
于榮向《中國科學(xué)報》表示：“這個三代人的團隊像一個大家庭一樣溫暖，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，堅持長遠(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，所以這個領(lǐng)域在材料科學(xué)中很少有人涉足。但又因為催化劑設(shè)計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。
在朱靜的鼓勵下，于榮看準(zhǔn)了這個方向，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，硬是一個像素一個像素?fù)?，花了整?年時間分析出表面結(jié)構(gòu)。
結(jié)果讓于榮感到驚奇：“真實的圖像竟然和此前的理論計算結(jié)果都不一致。”很快，2018年，他們將這一結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)通報》上。
該重大項目對國內(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)和帶動作用。
據(jù)葉恒強介紹，單從數(shù)量來看，象差校正電子顯微鏡從項目啟動之初的10臺左右，增加到2018年的約100臺左右?！拔覀冇脤嶋H工作告訴大家，應(yīng)該用這樣一種先進的技術(shù)去解決材料科學(xué)中的問題。”他強調(diào)。
《中國科學(xué)報》 (2019-10-28 第4版 自然科學(xué)基金)
