讲座题目：原子分辨的材料力学显微学与高强韧结构材料的混合焓设计
主 讲 人：韩晓东，南方科技大学讲席教授，北京工业大学教授
讲座时间：2024-01-13
讲座地点：深圳大学城图书馆四楼413报告厅
韩晓东，南方科技大学讲席教授，北京工业大学教授，国家电镜中心成员，先后在哈尔滨工业大学和大连理工大学取得硕士和博士学位。1999-2001年在美国匹兹堡大学深造，开始接触先进扫描电子显微学，之后在美国HKL科技公司工作，积累了丰富的先进扫描电子显微学经验。韩教授在先进透射电子显微分析、先进扫描电子显微分析等方面有丰富的知识积累，专注于材料微观结构与性能相关性研究，在关键技术领域获得180余项专利，并在多个国家级研究项目中担任重要角色，曾荣获国家自然科学二等奖（2021年）。他培养的学生也取得全国百篇优秀博士学位论文奖及提名奖、北京市优秀博士学位论文奖等多项荣誉。
2024年1月13日下午，韩教授做客大学城新论·名家讲座，为观众们汇报了两项重要研究成果，分别为原子分辨材料力学行为实验装置和高强韧材料的负焓合金策略设计。韩教授的汇报详细阐释了材料学和显微学领域的系统方法和实验技术发展，展示了其团队在材料力学行为的原子层次原位动态表征及负混合焓材料高强韧化策略方面取得的创新性进展，体现出相关科研成果在前沿领域和国家战略需求中的重要作用。
原子分辨率如何识别微观结构、显微结构一直是材料领域重点关注的问题，韩教授从材料学和显微学之间的联系讲起，指出材料学的发展标志着人类文明的进步，而显微学的发展，以及现代光学仪器的应用，极大地促进了新材料的研发，如高分子材料等，推动了材料学的腾飞。由于纳米尺度的观测具有一定的局限性，不能唯一确定晶体变化的原理，在当时的技术条件下，原位实验的观测被认为是不可能完成的任务，只有通过计算机模拟才能做出解释。由此，如何进行原子原位观测成为韩教授回国任教后重点研究的科学问题。
为了能更加直观、清晰地解释这一技术，韩教授首先介绍了微观尺度结构表征工具，如光学、X-ray光学、中子散射、电子光学和扫描隧道，展示了透射电子显微镜和先进球差矫正透射电子显微镜的基本结构，并指出透射电镜只能进行静态观测，动态、高空间的观测仪器是未来发展的重点，因此需要外加电场，结合物理学的特点，在微观尺度实现力学行为的测量。随着对原子分辨实验显微力学的深入探索，韩教授团队研发了原子尺度原位高温力学实验技术，填补了国际研究领域的空白，他们的技术突破了双轴倾转、高温加载等一系列技术难点，成功建立了原子尺度原位高温力学试验平台，首次实现了原子尺度高温力学动态观测。该技术还通过成果转化，成立百实创科技公司，让该技术推广应用于国内外多个实验室，推动了我国相关领域的核心技术攻关。 
随后，韩教授进一步介绍了两项该团队应用原子分辨材料力学显微学装置的研究实例。第一项研究为浙江大学张泽院士与韩教授课题组和美国佐治亚理工学院朱廷教授团队合作，利用原创的原子分辨原位力学实验研究装置，首次实现了晶界滑移过程的原子层次动态观察，首次发现原子柱/阵列/面的生成，揭示了常温下晶界滑移的原子机制，该研究在晶界塑性源自机制取得重大突破，相关论文发表在国际顶级期刊《Science》。第二项研究为单晶钨的高温延性断裂原子机理研究，首次发现钨在973 K时以可延展的方式断裂，为在高温下对材料进行及时和原子分辨的高温机械研究提供了可行方法，相关论文发表在国际著名材料期刊《Nature communications》。
负焓合金策略设计
讲座第二部分，韩教授向大家介绍了令他引以为傲的高强韧结构材料负焓合金的研究成果。他通过“熵”和“焓”的基本概念，解释了什么是“负焓”和“理想熵”。由于材料的强度与塑性之间是相互制约的，提高强度的同时往往损失塑性，呈现出强度-塑性倒置的矛盾关系。韩教授团队为解决这一基础性科学问题，提出了“负混合焓固溶体”（简称负焓固溶体）的概念，他们在传统多元合金添加Al形成负混合焓固溶体，成功在室温下实现了卓越的高韧性和超高的屈服强度，Al的加入使微结构中形成了一种层次化的化学波动结构，有效地阻碍了位错运动，使合金能够容纳塑性变形，实现了韧性和强度的协同提升，提出了解决材料强度-塑性倒置的矛盾关系、高强韧合金设计的新策略，相关论文于2024年1月4日发表在国际高水平期刊《Nature》，研究成果还获得国家重点研发专项、国家自然科学基金委基础科学中心项目、卓越青年科学家、国家自然科学基金委面上项目等项目的支持，为开发新一代高性能材料提供关键技术，有力推动了我国高强韧合金设计和材料科学领域的创新发展。
在此基础上，韩教授团队进一步对负焓固溶体合金中的局域有序结构展开深入研究，重点关注局部有序合金的形成和调控机制，提出负焓局部有序合金的概念，即随着合金混合焓降低，理想固溶体结构被打破，合金中有序度逐渐增加，直至形成金属间化合物结构，获得高强韧性组合。韩教授团队通过与现有文献进行对比，证实负焓局部有序合金的性能要优于目前同类型的合金，这也是其课题组未来研究的重点内容。
在最后的提问交流环节，现场观众与韩教授进一步交流和讨论了材料学研究思路、设计理念、负焓固溶体材料制备等问题。韩教授深入浅出的汇报让现场观众对这一领域的知识有了更加直观的了解，大家不禁感叹大学城名家讲座的含金量和普适性，纷纷表示获益匪浅。本次讲座圆满落下帷幕。（特约通讯员：孙若涵）