突破极限！她和团队用微观“炼金术”给金属“改命”

来源：中国科学报发布时间：2025-04-23

看似普通的金属里，藏着一个由无数微小“积木”搭成的微观世界，这些“积木”就是晶粒。在发丝万分之一粗细的微观战场，中国科学家正用纳米“积木”重塑金属命运。

极限尺寸纳米金属团队研讨工作。受访者供图

在中国科学院金属研究所研究员李秀艳的带领下，该所极限尺寸纳米金属团队凭借“金属极小晶粒尺寸效应”的突破性发现，将铜、镍等金属晶粒压缩至头发丝直径的万分之一，让晶粒在纳米尺度下“驯服”能量、重塑结构，甚至赋予金属前所未有的性能。

因在相关研究中取得重大突破，该团队荣获中国科学院2024年度杰出科技成就奖。他们通过自主研发的极端变形技术，将金属晶粒细化至10纳米以下，并发现了临界尺寸下晶界自发弛豫机制及由此形成的受限晶体结构。

从高温合金的抗蠕变到受限晶体的超低扩散行为，这些发现不仅在材料科学领域具有重要学术价值，还为新型高温合金、铝合金及耐磨轧辊等部件的研发提供了新途径，为航空航天、高端制造等领域打开了通往未来的大门。

而这一切，始于一场对“不可能”的执着追问——当晶粒小到极限，金属究竟是混沌失序，还是孕育着改变世界的秩序？

晶界弛豫：从“不可能”到“颠覆性突破”

金属材料的晶粒尺寸与晶界稳定性的关系一直是学界关注的焦点。那么，晶粒究竟能有多小？

传统理论认为，晶粒尺寸越小，晶界能量越高，材料结构越不稳定。因而晶界被视为高温合金抗蠕变的“短板”，制约着纳米金属材料的研发与应用。

李秀艳从加入团队起，就决心打破这一桎梏。

团队通过自主研发的低温表面纳米化设备，成功突破传统金属晶粒尺寸极限，将多种金属的晶粒细化至40纳米以下。在对铜的研究中，他们发现了当时还没有被清晰认知的晶界弛豫现象——当晶粒尺寸达到小于70纳米这一拐点，材料稳定性大幅提升，甚至晶粒越小，稳定性越高。

在揭示机理前，学界普遍认为是材料杂质产生了该现象。“即使你仔细分析材料里有什么、没有什么，仍被质疑是因为杂质含量低，没有测出来所致。”但是根据以往观察到的一些数据，李秀艳和中国科学院院士卢柯坚信，这个拐点与杂质无关。

于是，李秀艳全身心投入到破解谜团中，有时甚至走路、睡觉都在想。一次她送女儿上学，因为想得太专注，差点儿把孩子丢了。

转机出现在某日下班时，李秀艳灵光闪现：杂质通常在材料表面，何不进行一组对比实验，把杂质分别附着在晶粒尺寸40纳米（团队当时能做的最小尺寸）和70纳米的材料表面，如果是杂质的原因，两者受到的影响应该一样。但对比结果表明，40纳米材料非常稳定，而处于临界点的70纳米材料却不稳定，说明现象的原因不在于杂质。

“想到这个论证办法的那一刻非常开心。那种喜悦比后来发《科学》更让人回味。”李秀艳感慨。

在后续研究中，团队终于发现，晶界弛豫态纯铜的变形机制是由全位错转变为不全位错，使晶界迁移速率大幅降低，提高了材料受力下的稳定性。并且晶粒尺寸越小，弛豫越充分，稳定性也就越高。

晶界弛豫是晶粒尺寸极小化后的必然现象，这一发现彻底颠覆了“晶粒越小越不稳定”的传统观念，为理解金属的晶界结构提供了全新视角，也为高温合金的研发提供了新思路。

团队成员张宝兵通过引入晶界弛豫效应，成功开发出纳米高温合金，在航空航天领域展现出巨大应用潜力。这一成果再次发表于《科学》。

受限晶体：从数学概念到材料革命

在探索金属极小晶粒尺寸效应的道路上，该团队不断取得突破。

工欲善其事，必先利其器。在加工装备上，团队研制出同时满足低温、高压、高剪切条件的低温高压扭转设备。在材料研究上，他们在将纯铜晶粒细化至3～5纳米时，发现材料转变为一种全新的亚稳态结构——受限晶体。

三维周期性极小面结构最早由德国数学家施瓦茨在19世纪提出，受限晶体的晶界网络具有三维周期性极小面的特征，因此，具有前所未有的超高热稳定性和超高强度，颠覆了人们对传统晶体结构的认知。

在发现晶界弛豫后不到1年，该团队就在试验中观察到这种全新结构，但同样出现了新的问题：难以解析这个拓扑结构。

他们又花了两年时间进行分析，结果又遇到新问题：怎么把观察到的平面用三维结构表现出来？他们拿乒乓球当原子进行拼搭，粘了几百个，还是没有实现；又用3D打印机打印了很多小结构，想用组装的方式实现，依然不奏效。

在一个春节假期，有团队成员突然意识到，新结构应该是受限晶体，引发了激烈讨论，大家都认为这个设想可能性非常大。

在接下来的研究中，团队通过计算模拟验证了这个想法。“这个结构肉眼可见了。”李秀艳说。

随后，他们揭示了受限晶体形成的物理机制——晶界弛豫首先形成同样存在于猜想中的Kelvin晶体，然后进一步调整为相应的极小面结构，最终形成受限晶体。该成果被《物理评论快报》选为封面文章。

今年春节前后，该团队因首次发现纳米尺度下 Kelvin 晶体的存在，再次在《物理评论快报》发表成果。他们同时还证实，受限晶体是比Kelvin晶体更稳定、更普遍的亚稳态结构。

受限晶体的发现表明，在单晶和非晶之外还存在其他亚稳固态，其稳定性远高于非晶，而强度远高于单晶。鉴于目前已经在十余种金属中发现了受限晶体，说明其可能是金属细化到晶粒尺寸极限时的一种普遍选择，为新型金属材料的设计和开发提供了新方向。

团队成员徐伟因发现受限晶体铝合金具有超低原子扩散率，能够显著抑制合金中扩散主导的相析出、调幅分解和熔化等动力学过程，攻克了高温下金属高原子扩散率带来的不稳定性难题。成果同样发表于《科学》。

团队成员罗兆平在3～8纳米晶粒的稳定面心立方结构纯镍中，发现了密排六方结构的异常相变，表明晶粒尺寸极小时，可能诱发某些金属晶体结构失稳。该成果发表于《材料学报》。

从实验室到工厂：星星之火，可以燎原

晶界弛豫、受限晶体结构和异常相变等效应表明，极小晶粒金属结构呈现了前所未见的变化，为固体结构探索开辟了新空间，也可能为金属带来新的独特性能。

“基础研究的价值在于应用。”团队成果不仅停留在理论层面，还成功转化为实际产品。

团队与中铝西南铝业合作开发出表面晶粒约30纳米的轧辊，替代传统镀铬辊，显著降低了成本和环境污染。目前，该纳米轧辊已在西南铝业工业化生产铝卷2万余吨，经济效益和社会效益显著。

“过去铝箔轧辊需要镀铬，既昂贵又不环保。我们的技术只需在现有工艺上增加一道处理工序，在降低成本的同时大幅提升性能。”徐伟介绍。

此外，团队还开发出表面晶粒约20纳米的一些关键零配件，大幅提升其耐磨蚀性和穿透性。相关产品已通过用户测试。

高温合金领域的应用同样令人期待。通过晶界弛豫和受限晶体效应，团队成功研发出高性能纳米晶粒高温合金。这种合金在不添加贵金属的条件下，显著提升了高温强度和抗蠕变性能，为航空航天领域的自主可控提供了有力支撑。

“我们的高温合金样品目前只有厘米级，但已展现出超越传统合金的性能。”李秀艳表示，团队正在与企业合作，探索如何在更大尺寸部件中实现性能调控。

该团队取得的一系列成果，离不开对科学真理的执着追求和对未知领域的勇敢探索。“大家就是被对科学的热爱和对真理的追求所驱动，不停前进。”罗兆平说。

面向未来，团队充满信心。“我们将继续探索极小晶粒尺寸效应的更多可能性，特别是在导电导热等性能上的特殊表现。”李秀艳表示，团队希望为材料科学贡献更多“从0到1”的原始创新，为国家科技自立自强提供坚实支撑。“科学的魅力，在于从‘无人区’中寻找答案。”