看似普通的金屬里，藏著一個由無數微小“積木”搭成的微觀世界，這些“積木”就是晶粒。在發絲萬分之一粗細的微觀戰場，中國科學家正用納米“積木”重塑金屬命運。
極限尺寸納米金屬團隊研討工作。受訪者供圖
在中國科學院金屬研究所研究員李秀艷的帶領下，該所極限尺寸納米金屬團隊憑借“金屬極小晶粒尺寸效應”的突破性發現，將銅、鎳等金屬晶粒壓縮至頭發絲直徑的萬分之一，讓晶粒在納米尺度下“馴服”能量、重塑結構，甚至賦予金屬前所未有的性能。因在相關研究中取得重大突破，該團隊榮獲中國科學院2024年度杰出科技成就獎。他們通過自主研發的極端變形技術，將金屬晶粒細化至10納米以下，并發現了臨界尺寸下晶界自發弛豫機制及由此形成的受限晶體結構。從高溫合金的抗蠕變到受限晶體的超低擴散行為，這些發現不僅在材料科學領域具有重要學術價值，還為新型高溫合金、鋁合金及耐磨軋輥等部件的研發提供了新途徑，為航空航天、高端制造等領域打開了通往未來的大門。而這一切，始于一場對“不可能”的執著追問——當晶粒小到極限，金屬究竟是混沌失序，還是孕育著改變世界的秩序？金屬材料的晶粒尺寸與晶界穩定性的關系一直是學界關注的焦點。那么，晶粒究竟能有多小？傳統理論認為，晶粒尺寸越小，晶界能量越高，材料結構越不穩定。因而晶界被視為高溫合金抗蠕變的“短板”，制約著納米金屬材料的研發與應用。團隊通過自主研發的低溫表面納米化設備，成功突破傳統金屬晶粒尺寸極限，將多種金屬的晶粒細化至40納米以下。在對銅的研究中，他們發現了當時還沒有被清晰認知的晶界弛豫現象——當晶粒尺寸達到小于70納米這一拐點，材料穩定性大幅提升，甚至晶粒越小，穩定性越高。在揭示機理前，學界普遍認為是材料雜質產生了該現象。“即使你仔細分析材料里有什么、沒有什么，仍被質疑是因為雜質含量低，沒有測出來所致。”但是根據以往觀察到的一些數據，李秀艷和中國科學院院士盧柯堅信，這個拐點與雜質無關。于是，李秀艷全身心投入到破解謎團中，有時甚至走路、睡覺都在想。一次她送女兒上學，因為想得太專注，差點兒把孩子丟了。轉機出現在某日下班時，李秀艷靈光閃現：雜質通常在材料表面，何不進行一組對比實驗，把雜質分別附著在晶粒尺寸40納米（團隊當時能做的最小尺寸）和70納米的材料表面，如果是雜質的原因，兩者受到的影響應該一樣。但對比結果表明，40納米材料非常穩定，而處于臨界點的70納米材料卻不穩定，說明現象的原因不在于雜質。“想到這個論證辦法的那一刻非常開心。那種喜悅比后來發《科學》更讓人回味。”李秀艷感慨。在后續研究中，團隊終于發現，晶界弛豫態純銅的變形機制是由全位錯轉變為不全位錯，使晶界遷移速率大幅降低，提高了材料受力下的穩定性。并且晶粒尺寸越小，弛豫越充分，穩定性也就越高。晶界弛豫是晶粒尺寸極小化后的必然現象，這一發現徹底顛覆了“晶粒越小越不穩定”的傳統觀念，為理解金屬的晶界結構提供了全新視角，也為高溫合金的研發提供了新思路。團隊成員張寶兵通過引入晶界弛豫效應，成功開發出納米高溫合金，在航空航天領域展現出巨大應用潛力。這一成果再次發表于《科學》。在探索金屬極小晶粒尺寸效應的道路上，該團隊不斷取得突破。工欲善其事，必先利其器。在加工裝備上，團隊研制出同時滿足低溫、高壓、高剪切條件的低溫高壓扭轉設備。在材料研究上，他們在將純銅晶粒細化至3～5納米時，發現材料轉變為一種全新的亞穩態結構——受限晶體。三維周期性極小面結構最早由德國數學家施瓦茨在19世紀提出，受限晶體的晶界網絡具有三維周期性極小面的特征，因此，具有前所未有的超高熱穩定性和超高強度，顛覆了人們對傳統晶體結構的認知。在發現晶界弛豫后不到1年，該團隊就在試驗中觀察到這種全新結構，但同樣出現了新的問題：難以解析這個拓撲結構。他們又花了兩年時間進行分析，結果又遇到新問題：怎么把觀察到的平面用三維結構表現出來？他們拿乒乓球當原子進行拼搭，粘了幾百個，還是沒有實現；又用3D打印機打印了很多小結構，想用組裝的方式實現，依然不奏效。在一個春節假期，有團隊成員突然意識到，新結構應該是受限晶體，引發了激烈討論，大家都認為這個設想可能性非常大。在接下來的研究中，團隊通過計算模擬驗證了這個想法。“這個結構肉眼可見了。”李秀艷說。隨后，他們揭示了受限晶體形成的物理機制——晶界弛豫首先形成同樣存在于猜想中的Kelvin晶體，然后進一步調整為相應的極小面結構，最終形成受限晶體。該成果被《物理評論快報》選為封面文章。今年春節前后，該團隊因首次發現納米尺度下 Kelvin 晶體的存在，再次在《物理評論快報》發表成果。他們同時還證實，受限晶體是比Kelvin晶體更穩定、更普遍的亞穩態結構。受限晶體的發現表明，在單晶和非晶之外還存在其他亞穩固態，其穩定性遠高于非晶，而強度遠高于單晶。鑒于目前已經在十余種金屬中發現了受限晶體，說明其可能是金屬細化到晶粒尺寸極限時的一種普遍選擇，為新型金屬材料的設計和開發提供了新方向。團隊成員徐偉因發現受限晶體鋁合金具有超低原子擴散率，能夠顯著抑制合金中擴散主導的相析出、調幅分解和熔化等動力學過程，攻克了高溫下金屬高原子擴散率帶來的不穩定性難題。成果同樣發表于《科學》。團隊成員羅兆平在3～8納米晶粒的穩定面心立方結構純鎳中，發現了密排六方結構的異常相變，表明晶粒尺寸極小時，可能誘發某些金屬晶體結構失穩。該成果發表于《材料學報》。晶界弛豫、受限晶體結構和異常相變等效應表明，極小晶粒金屬結構呈現了前所未見的變化，為固體結構探索開辟了新空間，也可能為金屬帶來新的獨特性能。“基礎研究的價值在于應用。”團隊成果不僅停留在理論層面，還成功轉化為實際產品。團隊與中鋁西南鋁業合作開發出表面晶粒約30納米的軋輥，替代傳統鍍鉻輥，顯著降低了成本和環境污染。目前，該納米軋輥已在西南鋁業工業化生產鋁卷2萬余噸，經濟效益和社會效益顯著。“過去鋁箔軋輥需要鍍鉻，既昂貴又不環保。我們的技術只需在現有工藝上增加一道處理工序，在降低成本的同時大幅提升性能。”徐偉介紹。此外，團隊還開發出表面晶粒約20納米的一些關鍵零配件，大幅提升其耐磨蝕性和穿透性。相關產品已通過用戶測試。高溫合金領域的應用同樣令人期待。通過晶界弛豫和受限晶體效應，團隊成功研發出高性能納米晶粒高溫合金。這種合金在不添加貴金屬的條件下，顯著提升了高溫強度和抗蠕變性能，為航空航天領域的自主可控提供了有力支撐。“我們的高溫合金樣品目前只有厘米級，但已展現出超越傳統合金的性能。”李秀艷表示，團隊正在與企業合作，探索如何在更大尺寸部件中實現性能調控。該團隊取得的一系列成果，離不開對科學真理的執著追求和對未知領域的勇敢探索。“大家就是被對科學的熱愛和對真理的追求所驅動，不停前進。”羅兆平說。面向未來，團隊充滿信心。“我們將繼續探索極小晶粒尺寸效應的更多可能性，特別是在導電導熱等性能上的特殊表現。”李秀艷表示，團隊希望為材料科學貢獻更多“從0到1”的原始創新，為國家科技自立自強提供堅實支撐。“科學的魅力，在于從‘無人區’中尋找答案。”（記者：張楠）
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