金屬材料在人類社會發展史中有著不可替代的作用和地位，是高新技術發展必不可少的支柱和基礎。近年來，航空航天、先進裝備制造、新能源、深海技術以及先進交通運輸等關鍵領域的發展對新一代高性能鋼鐵材料、高溫結構材料、先進金屬功能和結構材料以及先進金屬材料設計、制備加工和服役評價提出了迫切需求。

金屬材料的研究雖然說比較成熟，雖然大都是傳統研究方向，但沒有很多方向沒有攻克比如：理解多相高熵合金的固溶效應，原位/操作實驗表征數據的實時分析，在相同長度和時間尺度上進行耦合實驗和計算模擬研究等。進入2020年，截至3月份已有6篇文章發表在Nature、Science上，金屬和合金領域的基礎研究將繼續推動新科技革命和對材料行為的更深入理解，從而產生新的材料設備和系統。

在這里，筆者帶領大家領略一下什么樣的研究能發到Nature、Science上。

1 Nature：金屬玻璃的應變硬化和剪切帶抑制

應變硬化是工程合金力學行為中最重要的現象，因為它保證了合金流動的非定域化，提高了拉伸延性，并抑制了災難性的力學損商。金屬玻璃(MGs)缺乏工程合金的結晶度，而它們的一些特性如高屈服應力和彈性應變極限，相對于傳統合金有了很大的改善。MGs具有很高的斷裂韌性和已知的最高的“損傷容忍度”(為屈服應力和斷裂韌性的乘積)。然而，由于MGs在結構應用中表現為應變軟化而不是應變硬化，它的應用很大程度上受到了限制，;這導致了塑性流動在剪切帶中的極端局部化，并與張力的早期拉伸受損有關。盡管MG以較高的冷卻速率將其能量提升到典型的玻璃形成，降低了其屈服應力，這使應變硬化成為可能，但目前尚不清楚是否可以在保持其玻璃狀結構的同時在大塊樣品中實現。在此，中科院金屬所李毅研究員與劍橋大學的A. L. Greer教授合作證明了在室溫下三向壓縮下的塑性形變可以使大塊的MG樣品迅速恢復活力，從而通過一種以前在金屬狀態下沒有觀察到的機制使應變硬化，展現出足夠強的應變強化能力，這種轉變的行為抑制了正常單軸(拉伸或壓縮)試驗中大塊試樣的剪切帶的出現，阻止了力學損傷，并賦予MG更高的流動應力。這種金屬玻璃在室溫下是穩定的，并表現出特別優異的應變硬化，極大地增加了它們在結構應用中的潛在用途。相關研究以“Strain-hardening and suppression of shear-banding in rejuvenated bulk metallic glass”為題目，發表在Nature上。

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DOI: 10.1038/s41586-020-2016-3

圖1 金屬玻璃態的誘導變化

2 Nature：金屬元素中晶界相變的觀察

晶界結構理論有著悠久的歷史，基本的假設是不同的晶界取向存在多個穩態和亞穩態。這種概念早期被提出，用來區分在任何平衡熱力學性質下的界面狀態。在兩種或兩種以上金屬組成的合金中，晶界相變已在實驗中得到廣泛驗證，并得到理論模型和計算模型的證明。然而，晶界相變在純金屬中的直接實驗觀察和轉化動力學仍是一個未解之謎。在這里，德國馬普所的Thorsten Meiners教授等人演示了在元素銅[111]上對原子級晶界相共存以及轉變行為進行了實驗觀測。研究人員利用原子級分辨率成像揭示了晶界兩種不同結構的共存狀態，并利用有限溫度分子動力學模擬工具研究探索了這些晶界相的共存和相變動力學機制。我們的結果演示了如何在動力學上捕獲晶界相變，從而實現原子尺度的室溫觀測。我們的工作為金屬晶界相變的原子尺度原位研究鋪平了道路，有利于進一步研究晶界相變對異常晶粒長大及液態金屬脆化等現象。相關研究以“Observations of grain-boundary phase transformations in an elemental metal ”為題目，發表在Nature上。

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DOI: 10.1038/s41586-020-2082-6

圖2 晶界結構的演變分析及晶界相預測結構

3 Nature：超細晶金屬的高壓強化

金屬的強度會隨著顆粒尺寸的減小而增加。當臨界顆粒尺寸為10到15 nm左右時，進一步細化晶粒，材料的強度不僅不提高，反而會下降。一般認為這一軟化現象是由于納米材料中晶粒之間的界面的滑動主導了其塑性變形所致。然而，由于高質量大尺寸納米晶材料制備的困難，很難準確測量晶粒尺寸小于15nm的機械性能，所以對于晶粒尺寸更細的納米金屬而言，其強度與晶粒尺寸關系的建立仍需要最直接和可靠的實驗數據。在本項研究工作中，重慶大學的黃曉旭教授團隊與北京高壓科學研究中心的陳斌研究員團隊等合作將高壓實驗方法引入到了納米材料研究中，創造性地解決了納米材料強度表征的技術難題，首次報道了晶粒尺寸在10nm以下的納米純金屬的強化現象。通過對納米純金屬Ni進行高壓變形研究，發現其強度隨著晶粒尺寸減小持續提高，而且更為吃驚的是，晶粒尺寸越小其強化效果越顯著。在所研究的最小晶粒尺寸（3nm）樣品中，獲得了4.2 GPa的超高屈服強度，比常規商業純鎳強度提高了10倍。塑性計算模擬和透射電子顯微鏡分析表明，高壓變形抑制了納米材料中的晶界滑動，并促進了起強化作用的晶體缺陷（位錯）的儲存，從而導致高壓細晶強化。相關研究以“High-pressure strengthening in ultrafine-grained metals”為題目，發表在Nature上。

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DOI: 10.1038/s41586-020-2036-z

圖3 納米晶粒鎳的晶粒強化

4 Nature：一種純凈鐵磁近藤晶格中的奇異金屬行為

當調諧到量子臨界點(QCP)時，廣泛的金屬表現出反常的電和熱力學性質，盡管這些奇怪金屬的起源構成了一個長期的謎。奇異金屬與非常規超導性和反鐵磁QCPs之間的頻繁聯系，使人們相信它們是高度糾纏的量子態。相比之下，鐵磁體被認為是一種不太可能用于陌生金屬的環境，因為它們的糾纏度很弱，而且它們的QCPs常常被相互競爭的相位或一階相位過渡所打斷。這里浙江大學袁輝球教授，Michael Smidman及英國倫敦大學Piers Coleman提供了純鐵磁的證據，在壓力誘導的QCP中，近藤晶格CeRh6Ge4變成了一種奇怪的金屬。壓力下的特殊熱阻和電阻率的測量表明，鐵磁躍遷被連續地抑制到零，從而揭示了QCP周圍的奇異金屬行為。研究認為強磁各向異性在這一過程中起著關鍵作用，它以三聯體共振價鍵的形式將糾纏注入有序鐵磁體中。研究證明了局域矩與導電電子糾纏模式的奇異變換，從QCP上的三聯體共振價鍵到康多糾纏態單線態對，會導致費米表面體積的跳躍，這是奇異金屬行為的關鍵驅動因素。研究結果為鐵磁量子臨界的研究開辟了一個方向，并為奇異峰現象建立了一個替代的環境。最重要的是，鐵磁體的奇異金屬行為

QCP表明，量子糾纏而不是反鐵磁的破壞是奇怪金屬各種行為的共同驅動因素。相關研究以“Strange-metal behaviour in a pure ferromagnetic Kondo lattice”為題目，發表在Nature上。

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DOI:10.1038/s41586-020-2052-z

圖4 CeRh6Ge4中鐵磁性的壓力演化與QCP中的奇異金屬行為

5 Science：位錯、晶界和沉淀相作為氫陷阱的觀測

高強鋼的氫脆是高強鋼在可持續能源生產中應用的一個障礙。氫脆涉及多尺度的氫缺陷相互作用。然而，由于氫原子質量小，容易遷移，采用常規技術手段難以確定氫在材料中的精確位置，從而限制了人們對氫脆現象的理解。熱解吸光譜可以識別氫的保留或捕獲，但數據不能很容易地與不同微觀結構特征的相對貢獻聯系起來。悉尼大學的Julie M. Cairney教授和中信金屬公司的路洪洲博士用低溫轉移原子探針層析法觀察了鋼中氫的微觀結構特征。直接觀察位錯和晶界處的氫為脆化模型提供了驗證。在NbC和基體鋼的非共格界面上觀察到的氫提供了直接證據，證明這些非共格界面可以作為俘獲點。這些信息對于設計抗脆化鋼是至關重要的。相關研究以“Observation of hydrogen trapping at dislocations, grain boundaries, and precipitates”為題目，發表在Science上。

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DOI: 10.1126/science.aaz0122

圖5 三維原子探針觀測到的晶界和位錯處的氫

6 Science：定向附著通過形成和分解高能晶界而產生五重孿晶

當兩個具有相同晶格平面的晶體通過一定的對稱作用而相互生長時，就會發生孿生現象。孿晶晶體是廣泛存在于各種材料中，包括金屬（Cu、Ag、Au）以及陶瓷。孿生會導致影響物理和化學性質的各種結構和形態。例如，五重孿晶（5-FTs）的應力顯著增加了納米線的楊氏模量，而多晶銅納米線在還原二氧化碳時表現出良好的選擇性等。在此，在美國太平洋西北國家實驗室李冬生教授團隊聯合中國科學院金屬研究所Gang Zhou 、密西根大學Ning Lu教授等人合作，結合高分辨原位透射電子顯微鏡與分子動力學模擬，證明通過重復定向附著~3 nm的金、鉑和鈀納米顆粒發生五重孿生。研究人員在原子尺度揭示了兩種五重孿晶的形成機制，這些機制由應變的積累和消除驅動。研究結果為控制多種材料的孿生結構和形態提供指導。相關研究以“Oriented attachment induces fivefold twins by forming and decomposing high-energy grain boundaries”為題目，發表在Science上。

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DOI: 10.1126/science.aax6511

圖6 通過機制1和2在Pd和Pt NP中形成5-FTs的實例