材料科學(xué)家Jason Trelewicz在美國布魯克海文功能納米材料研究中心的電子顯微鏡實驗室中表征了摻雜其他元素的金屬納米結(jié)構(gòu)。圖片來源：美國布魯克海文國家實驗室

    Jason Trelewicz的父親是一位工程師，自從小時候他的父親將他帶到工作室后，從此他就與材料科學(xué)領(lǐng)域結(jié)下了不解之緣。在他父親工作的材料實驗室里，Trelewicz使用光學(xué)顯微鏡放大物質(zhì)表面，他觀察到不同樣品相互作用的光呈現(xiàn)出不同特征

    現(xiàn)在，Trelewicz成為了材料科學(xué)化學(xué)工程系工程與應(yīng)用科學(xué)專業(yè)副教授，是由石溪大學(xué)高級計算科學(xué)研究所和工程金屬納米結(jié)構(gòu)實驗室聯(lián)合任命的。他利用放大倍數(shù)更高的電子顯微鏡，可以詳細(xì)的觀察微小的納米結(jié)構(gòu)，并了解當(dāng)它們受到熱、輻射和機(jī)械力時會發(fā)生什么。Trelewicz對金屬合金（摻雜其他金屬）的納米結(jié)構(gòu)特別感興趣，將此納米尺寸特征納入經(jīng)典材料可以提高其性能。通過電子顯微鏡研究收集的信息幫助他了解納米結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征之間的相互作用。而這可以用來調(diào)整材料的性能，使其用于從航空航天、汽車零部件到消費電子和核反應(yīng)堆等各個方面。

    自2012年起，Trelewicz抵達(dá)石溪大學(xué)后一直在美國能源部（DOE）科學(xué)用戶辦公室即功能性納米材料中心（CFN）使用電子顯微鏡和高性能計算（HPC）進(jìn)行研究。

    Trelewicz說：“當(dāng)時，我一直尋找一個方法將我對于穩(wěn)定金屬納米結(jié)構(gòu)的想法解決新應(yīng)用問題。我對核能技術(shù)的興趣最初產(chǎn)生于讀小學(xué)的時候，重新利用我們從地球上的太陽獲得的能量的過程使我著迷，并且激起了我對核能的興趣。雖然我們距離發(fā)電核聚變反應(yīng)堆還有很遠(yuǎn)的距離，但在目前法國一個名為ITER的大型國際團(tuán)隊正在努力嘗試一個長期的大規(guī)模聚變反應(yīng)。”

    用于聚變反應(yīng)堆的等離子體材料

    核聚變--原子核碰撞的反應(yīng)，幾乎可以提供無限量的安全清潔能源，就像太陽通過將氫原子核融入氦原子而自然產(chǎn)生的那樣。在反應(yīng)堆中使用這種無碳能源需要在發(fā)生聚變的非常高的溫度（約比太陽核心高6倍）的高溫下產(chǎn)生并維持等離子體，同時用磁場限制它。目前聚變反應(yīng)堆所面臨的諸多挑戰(zhàn)中，Trelewicz最感興趣的是為反應(yīng)堆提供可行的材料。

    Trelewicz說：“對于聚變領(lǐng)域來說，巨大的材料挑戰(zhàn)使我看到了研究材料的機(jī)會，在核反應(yīng)堆內(nèi)部，等離子體將產(chǎn)生高熱通量，高熱應(yīng)力，高粒子和中子通量，而人們正期望材料在這種嚴(yán)酷環(huán)境中起作用。”

    這種“面向等離子體材料”的主要候選對象是鎢，因為它具有高熔點（純金屬中熔點最高）和較低的濺射產(chǎn)量（等離子體中的高能離子噴射原子的數(shù)量）。然而，鎢在再結(jié)晶，抗氧化性，長期輻射耐受性和機(jī)械性能方面的穩(wěn)定性是有問題的。

    Trelewicz認(rèn)為，設(shè)計精確的納米結(jié)構(gòu)鎢合金可以解決這些問題。8月份，他獲得了美國能源部早期職業(yè)研究計劃頒發(fā)的75萬美元五年獎，旨在開發(fā)穩(wěn)定的納米晶鎢合金，從而可以承受聚變反應(yīng)堆苛刻的環(huán)境。他的研究將原子模型相互作用，有關(guān)實時離子輻照曝光和機(jī)械測試的實驗?zāi)M結(jié)合，以了解負(fù)責(zé)合金熱穩(wěn)定性，輻射耐受性和機(jī)械性能的基本機(jī)制。這項研究的經(jīng)驗將為聯(lián)合應(yīng)用提供彈性更好的合金設(shè)計。

    除了他們在本國機(jī)構(gòu)使用的計算資源之外，Trelewicz和他的實驗室小組正在使用CFN的HPC集群，以及其他DOE設(shè)施的集群，例如橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)計算設(shè)施的Titan（橡樹嶺國家實驗室DOE科學(xué)用戶辦公室的設(shè)施）也會作為項目的一部分進(jìn)行大規(guī)模的原子模擬。

    Trelewicz說：“我們想要設(shè)計的材料結(jié)構(gòu)長度范圍在幾納米到100納米之間，單個模擬可能涉及多達(dá)1000萬個原子。使用HPC集群，我們可以一個原子接一個原子的構(gòu)建一個系統(tǒng)，以此代表我們想要通過實驗探索的結(jié)構(gòu)，并仿真地研究在不同的外部刺激條件下該系統(tǒng)的響應(yīng)，例如，我們可以成千上萬次的激發(fā)高能量原子進(jìn)入系統(tǒng)，然后觀察材料發(fā)生了什么，以及它是如何發(fā)展的，一旦發(fā)現(xiàn)積累在結(jié)構(gòu)中的缺陷，我們就可以模擬熱力學(xué)和機(jī)械力，從而了解缺陷結(jié)構(gòu)是如何影響其他行為的。”

    這些模擬結(jié)果表明了實驗合金的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，而這些都是Trelewicz和他的學(xué)生在石溪大學(xué)通過高能銑削完成的。為了表征工程合金的納米結(jié)構(gòu)和化學(xué)分布，他們廣泛地使用了包括掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡和掃描透射電子顯微鏡在內(nèi)的CFN顯微設(shè)備。通過高分辨率成像，并且與顯微鏡內(nèi)的加熱相結(jié)合來實時檢查結(jié)構(gòu)隨溫度的變化，他們在美國能源部其他國家實驗室進(jìn)行實驗，例如在桑迪亞通過與Ion Beam實驗室的材料科學(xué)家Khalid Hattar合作進(jìn)行實驗。在這里，Trelewicz研究小組的學(xué)生們同時用離子束照射工程合金，并用電子顯微鏡在數(shù)天的時間內(nèi)對其進(jìn)行成像。

    Trelewicz說：“雖然這種損害與材料在反應(yīng)堆中的反應(yīng)不相符，但它確實為評估工程材料是否可以解決鎢在聯(lián)合應(yīng)用中的某些局限性提供了一個起點。

    電子顯微鏡在CFN中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，Trelewicz的學(xué)生最近有了令人興奮的發(fā)現(xiàn)：在納米結(jié)構(gòu)鎢薄膜中意外發(fā)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)定的相變。這種相變驅(qū)動了一種異常 ”晶粒“生長，其中一些晶體納米結(jié)構(gòu)特征以犧牲其他成本而顯著增長。當(dāng)學(xué)生向鎢中添加鉻和鈦時，這個亞穩(wěn)相被完全消除，反過來又提高了材料的熱穩(wěn)定性。

    Trelewicz說：”將實驗和計算部分都用于我們的研究的一個重要方面是，當(dāng)我們從實驗中學(xué)到新的東西時，我們可以回過頭來量身定制模擬，以更準(zhǔn)確地反映實際材料。“

    Trelewicz研究小組的其他項目

    鎢的研究只是工程金屬納米結(jié)構(gòu)實驗室的眾多項目之一。

    Trelewicz說：”我們所有的項目包括在開發(fā)具有增強(qiáng)/多功能特性的新型金屬合金之中。我們正在尋找不同的策略，通過共同調(diào)整材料的化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)來優(yōu)化材料的性能。大部分的科學(xué)在于理解納米尺度的機(jī)制，而這些機(jī)制決定了所測量的納米結(jié)構(gòu)宏觀特性。“

    Trelewicz和他的研究小組利用美國國家科學(xué)基金會（學(xué)院早期職業(yè)發(fā)展計劃）的獎項，正在研究另一類高強(qiáng)度合金，即非晶態(tài)金屬又稱”金屬玻璃“，它們是原子結(jié)構(gòu)無序的金屬玻璃。與日常金屬相比，金屬玻璃通常具有固有的較高強(qiáng)度，較高的脆性，并且難以制造大塊片材的金屬玻璃。Trelewicz的團(tuán)隊正在設(shè)計金屬玻璃的接口（最初是鐵基，后來是鋯基金屬玻璃），以增強(qiáng)材料的韌性，并探索大批量制造工藝以生產(chǎn)金屬板。他們將使用CFN的納米制造設(shè)施來制造這些界面工程金屬玻璃的薄膜，以便于使用電子顯微鏡技術(shù)進(jìn)行原位分析。

    在一個類似的項目中，他們正試圖了解如何在鋯基非晶合金中引入結(jié)晶相，以形成金屬玻璃基復(fù)合材料（由無定形相和結(jié)晶相組成）了解其相對于常規(guī)金屬玻璃增強(qiáng)的變形過程。金屬玻璃通常會因為局部應(yīng)力應(yīng)變而毀于一旦。而在金屬玻璃中引入結(jié)晶區(qū)域可以抑制材料中的局部應(yīng)力應(yīng)變。他們已經(jīng)證明，晶相的存在從根本上改變了剪切帶形成的機(jī)制。

    Trelewicz和他的團(tuán)隊也在探索由交替結(jié)晶層和非晶層組成的金屬”納米層“的變形行為，并試圖通過協(xié)同化學(xué)摻雜策略來接近輕質(zhì)鋁合金的強(qiáng)度理論極限（將其他元素添加到材料中改變它的屬性）。

    Trelewicz說：”我們利用CFN的資源來開展我們研究小組每個項目。并廣泛使用電子顯微設(shè)備來觀察材料的微觀和納米結(jié)構(gòu)，常常觀察材料如何與成分不均勻的界面進(jìn)行耦合，這些信息有助于我們穩(wěn)定和設(shè)計納米結(jié)構(gòu)金屬合金中的界面網(wǎng)絡(luò)。CFN中的HPC集群所運用的計算建模和仿真系統(tǒng)能夠通知我們在實驗中做了哪些工作。“

    他除了在CFN的工作之外，還與他的部門同事合作，在美國國家同步輻射光源II，即美國能源部在布魯克海文的另一個科學(xué)用戶設(shè)施辦公室中對材料進(jìn)行了表征。

    Trelewicz說：”表征結(jié)構(gòu)和化學(xué)不均勻性的方法有多種。我們通過電子顯微鏡在CFN上觀察少量材料，然后在NSLS-II上通過X射線衍射和微/納米探針等技術(shù)觀察更多的材料，我們將這些本地和全球?qū)ν粋€材料的信息結(jié)合起來，再應(yīng)用這些信息優(yōu)化其屬性。“

    新一代材料的未來

    當(dāng)Trelewicz不做研究時，他通常忙于學(xué)生外展。他聯(lián)系各學(xué)校的技術(shù)部門，為他們提供材料工程設(shè)計項目。學(xué)生們不僅可以參與材料設(shè)計工程方面的工作，而且還能夠?qū)W習(xí)如何使用3D打印機(jī)和其他在當(dāng)今社會至關(guān)重要的工具來制造更具成本效益和性能的產(chǎn)品。

    展望未來，Trelewicz希望擴(kuò)大與CFN的合作，并希望CFN幫助他將金屬納米結(jié)構(gòu)的研究作為CFN支持的核心領(lǐng)域，并最終由DOE在經(jīng)典材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)前所未有的性能。

    Trelewicz說：“能夠每天學(xué)習(xí)新東西，利用這些知識對社會產(chǎn)生影響，并且看到我的學(xué)生填補(bǔ)了我們當(dāng)前理解的空白，這使得我作為教授這一職業(yè)有著如此大的成就。憑借石溪大學(xué)，附近的CFN和其他DOE實驗室的資源，我可以用這些非常棒的平臺為材料科學(xué)和冶金領(lǐng)域作出貢獻(xiàn)。”

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內(nèi)外最新動態(tài)，我們網(wǎng)站會不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：殷鵬飛

《中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事

投稿聯(lián)系：編輯部

電話：010-62313558-806

郵箱：fsfhzy666@163.com

中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414