“老金属”如何逆袭，拿下“未来”科学大奖，创造超百亿效益？| 2020未来科学大奖物质科学奖成果解读
转载自腾讯新闻知识官 玉龙小段 企鹅号
2020年9月6日，2020未来科学大奖在北京揭晓，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心主任、中国科学院院士卢柯荣获“物质科学奖”。
未来科学大奖每年的奖项颁发，都堪称中国科学界的盛事。然而，热闹之下，可能大多数读者对奖项之下的工作成果并不了解。
为此，腾讯新闻知识官、科学节目制作人段玉龙，同中科院院士汪卫华、重庆大学材料科学与工程学院院长黄晓旭、清华大学工程力学系长聘副教授李晓雁三位科学家一起，共话2020未来科学大奖之物质科学奖，走进获奖人卢柯院士的神奇材料世界，揭秘金属的微观奇迹，畅谈未来世界全新生活。
以下为部分直播实录：
段玉龙：2020未来科学大奖把“物质科学奖”颁给了卢柯院士，以奖励他开创性地发现和利用纳米孪晶结构及梯度纳米结构以实现铜金属的高强度、高韧性和高导电性。很多网友的一个反应是，这个获奖评语写得太专业了，普通人看不懂。那么，卢柯院士的研究成果究竟是什么，为什么他的研究成果可以获得这个大奖？黄老师和汪老师能不能给我们做一个简单的解读。
黄晓旭：我们知道，金属材料是人类社会发展的重要的基础材料，而怎么提高金属材料的强度，一直是金属材料科学领域最核心的科学问题之一。
材料的宏观性能取决于它的微观组织结构，提高材料强度的一个重要方法就是细化这个金属的微观组织，材料的微观组织越细小，材料的强度就越高。这是过去40年纳米材料科学发展的一个重要的驱动力。研究发现，纳米金属的强度比起传统金属的强度可以提高几倍到10倍，但材料强度的提高往往伴随着其他性能的显著下降，比如塑性、导电性、热稳定性、耐腐蚀性能等等，这就是我们常常说的强度与材料基本性能的倒置关系。就是这种强度和别的性能很难同时兼得。这种倒置关系一直是材料科学家试图解决的一个重大难题。
卢柯院士和他的团队经过多年坚持不懈的研究，发现了两个纳米结构，一个是纳米孪晶结构，一个是梯度纳米结构，它们在提高材料强度的同时，还可以保持材料的塑性、导电性等等。这在传统金属材料领域是一个重大突破，他开辟了纳米材料科学新的研究方向。这是我对他能获得这个物质科学奖的一个理解。
汪卫华：黄教授是卢柯院士的小同行，他已经非常详细地从科学的角度来解释了卢柯院士的一些重要成果。我试图从更科普一点的角度讲一讲。
材料跟人一样，也是有缺陷的。实际上，纳米孪晶就是材料的一种缺陷。卢柯用先进的一些手段，如电子显微镜、X光等等，来研究这种缺陷到底在原子层次上是什么样的结构，最后实现了对缺陷的控制和调制，使得这个材料的性能变得特别好。
这就跟人一样，人的缺陷经过很多磨炼，也可能变得更好，比如人在青藏高原上晒了太阳会变得很黑，这是一种缺陷，但是这种黑可以抵御紫外线，可以使这个人身体变强起来。卢柯先生的高明之处，就在于他把材料的这种缺陷进行了调制，使得这个材料把好多很好的性能给集中在了一起。
比如说他研究铜，铜跟钢比起来相对比较软，他通过这个缺陷设计和调控使得铜材料变得不那么软了，同时它的导电性能又没有变坏，而且变得更好。而且这种方法不仅可以用在铜材料上面，还可以借用到其他材料领域。实际上据我了解，燕山大学田永君院士就把他这个方法理论也用到金刚石上，研究出了比原本金刚石更硬的纳米孪晶金刚石。
在结构材料上，桥梁、高楼大厦都是靠结构材料支撑的，诸如钢、水泥、玻璃等材料的用量就非常大。但如果这些材料结构变强，就可以减少资源的消耗和降低污染，比如把钢的强度提高5%，桥梁的寿命就能增加1%，仅这一项，美国的国家效益就可以达到百亿美元的量级。可见提高材料的强度，调制它的缺陷，应用价值是非常大的。
这里有个看法可以提一下，就是所谓的传统材料和时髦材料都是相对的。比如说沙子，原始时代就使用，是最古老、最传统的材料了。但随着科学的进步和技术手段的发展，我们可以从沙子里提取玻璃，提取光纤，而光纤材料就是最现代的材料。卢柯研究的铜似乎很传统，但他把传统材料做得非常时髦，我觉得这也是未来科学大奖能授予他的一个重要原因，很多传统材料都会推陈出新。
段玉龙：未来科学大奖，最重要的是“未来”两个字，有网友就疑惑，为什么未来科学奖的物质科学奖会颁给听起来很传统的一个打铁的项目呢。刚才汪老师的解读已经部分解答这个问题，虽然他研究的内容很传统，但他的这套方法以及他对未来的影响还是非常非常巨大的。所以，也想请李晓雁老师具体聊一聊，这套方法能给我们的世界带来什么样的影响？
李晓雁：我本人在航院工作，从事一些航天航空构件的研发。很多网友都知道，航空发动机是工业制造的皇冠上的一颗明珠，它浑身都是高科技的结晶。但目前航空发动机，特别是高温材料主要是通过在高温金属材料里添加合金元素实现的，通常这些合金元素都是稀有的或者是贵重的金属。这就导致航空发动机的成本会非常的高，而且回收的难度也比较大。因为有的金属甚至是有毒的。而卢老师提出的用结构来调制材料的力学性能的方法，就有可能为航空发动机性能材料的研发提供新的思路和新的方向。一旦研发成功，航空发动机不但可以降低成本，而且还可以减少对稀缺资源的依赖，这对我们国家研发下一代高性能的航空发动机，意义是非常非常重大的。
刚才汪老师也提到金属材料其实是我们这个世界的基础材料，金属材料的性能只要少许提高一点点，对于我们的节能减排、降低成本、节约资源也都会产生重大的意义，对于国民经济和社会进步都有显著的效益。纳米孪晶结构除了铜以外，还可以应用在银、金、钢铁、高温合金、半导体，包括陶瓷等很多材料里面，这个原理其实是一个普世的原理，为未来材料的研究指明了一个方向。这也是为什么在他的开创性工作发表以后，全世界引起了纳米孪晶的热潮。举个与大家生活密切相关的例子。我们知道，金作为一个首饰材料，通常比较软，也意味着它的耐磨性不好。香港城市大学吕坚他们做的工作，就是在金里面引入纳米孪晶铜，它不仅可以提高金的强度，同时也提高了它的耐磨性，这就提高了金首饰的寿命和保存价值。
同样，梯度纳米结构也是如此。梯度纳米结构是一个演变的、非均匀的组织结构。其实，我们自然界中很多生物材料都是非均匀材料，比如像我们的骨骼、贝壳等等，这些都是非均匀材料。非均匀材料的特点就是材料在不同位置上的微结构和力学性能都是完全不一样的。非均匀材料相对于均匀材料具有更加复杂的力学行为和力学响应。
卢老师的纳米梯度材料结构就开创了这个非均匀材料的先河，未来会带动更多这种新型的非均匀结构材料出来。最近美国一些重要的杂志出了很多专辑，专门来讨论怎么设计非均匀组织。所以也是为未来金属材料研究提出了一个新的研究方向。其实，这也是我们力学领域未来研究的前沿。所以说，卢老师所提的纳米孪晶和梯度纳米结构的思想给我们力学学科也带来了全新的挑战，也推动了我们力学学科在非均匀材料方面不断的发展，将来不仅会催生一些新的力学模型和理论，而且还会极大地拓展我们利用微结构力设计材料的空间。
汪卫华：我个人也认为，卢柯这项成果更多的是原理性上的。他给这些材料学家提供了一个新的思路和途径，告诉你可以通过调制材料的缺陷，把材料一些优异的性能给集中在一起。这个方法会激励很多的材料学家，包括材料工程师，来创造综合性能优异的一些新材料。
传统材料都是上帝给我们的礼物，包括沙子，包括铁，包括铜，包括碳，它们很普通，但只要你有好的理念，随着科技的进步，这些传统材料都会推陈出新，会出现很多新的材料，进而极大地改变我们的生活。
我记得有一位材料学家曾经说过，找结构材料就是一门和缺陷打交道的科学或者是学科。人类最早用的是石器或者是木器，觉得不够用了以后再发展青铜，青铜觉得还不好，又发展铁，一路到现在的钢铁、高温合金、钛合金等等，我们都是沿着一条改变成分、调制成分的思路来做的。
同时，你会发现还有另外一条思路，就是结构也非常重要，我们还可以不变成分，调制它里面的结构，调制里面的缺陷，来改变性能。比如我们看到铁匠打铁，并没有改变它多少的成分，打铁的主要目的就是来调制里面的缺陷或者是调制里面的结构。所以这条路几乎可以说是和成分调制相等价的、重要性相当的一条发展和优化材料的思路。我觉得卢老师的工作实际上就是沿着这样一条思路的典范。当然，也不止他的工作，有很多人在这方面都做了很好的工作。纳米孪晶只是其中一种。
段玉龙：材料伴随着人类的文明、历史、科技已经是数千年了，而且对于我们生活的改变大家都可以看得到。今天我们谈材料的背后，一个重要的话题是基础科学。对于如何推进基础科学的研究，几位老师有什么样的观点？
汪卫华：每一种物质、每一种材料里面都包含有非常深刻的、非常有挑战性的科学问题，而在每个领域里面只要你努力去做，即使像铜这样的材料也都能做出世界级的有影响的工作，所以，我觉得不要去过分地追求时髦或者是热点，虽然热点也很重要，也需要跟踪，但还是想鼓励在传统的领域、传统的学科上同样能做出前沿性的、未来性的工作。
黄晓旭：基础科学的突破、新原理的发现是促进应用科学的基石。基础科学没有突破，就可能总是在原地徘徊。卢院士这种新的纳米结构的发现对整个材料科学以及金属材料科学研究的巨大促进就是一个很好的例子。卢院士从上世纪九十年代初就开始研究纳米金属材料，前前后后经过了二十几年的努力，坚持不懈的研究才发现了两种新的结构，在基础科学就取得了突破。然后，打开了一片新的天地，全世界一下很多人跟着去做。从简单的铜到更复杂的高温合金、半导体材料等等。
我认为基础科学的突破、新原理的建立，是应用研究的基础，没有基础研究谈不上应用研究的突破。基础科学的突破可以给大家打开一个新的天地，在这个天地里可能还有很多宝藏让大家去挖掘。
李晓雁：其实，卢柯老师从事的领域是传统的金属领域。我本人也是在传统金属领域里面做一些力学的研究。所以，9月6号一打开手机，看到卢柯老师获奖的信息，当时我们真的是受到了很大的鼓舞。
在我读博士的时候，卢老师已经成为纳米金属领域的开创者和奠基人之一。这些年来，卢老师也还是坚持在金属材料领域，孜孜不倦深入钻研，做出了多项原创性的工作。这也为我们青年学者真正树立了一个榜样，鼓励我们坚持在传统领域做原创研究、基础研究，激励我们青年学者要不断地进取，努力地攀登，坚持原创，这就是我个人的一些感想。
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