单智伟

p 　　 span style=" FONT-FAMILY: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai" 当“安静”的铝制品遇见“淘气”的氢原子，为何“肌肤”表面就会冒出“痘痘”?这一谜团已存在超过50年。近日，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室微纳尺度材料行为研究中心(以下简称“微纳中心”)的科研人员利用原位环境透射电镜技术破解了这一难题。此项成果6月29日在线发表在世界著名期刊《自然-材料》上。 /span /p p span style=" FONT-FAMILY: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai" 　　微纳中心自2009年成立以来，就以利用原位定量电镜技术来研究微纳尺度材料的结构与性能为主要研究方向。在马恩教授，李巨教授，孙军教授和单智伟教授的带领下，研究中心已在包括《自然》、《自然材料》、《自然-通讯》、《PNAS》等杂志上发表了40多篇文章，其在材料原位力学研究领域的科研水平已位居世界前列。 /span /p p span style=" FONT-FAMILY: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai" 　　日前，仪器信息网编辑特别采访了单智伟教授。探究了微纳中心在原位电镜研究领域不断取得世界级研究成果的秘密，以及单智伟教授对于目前我国开展电镜工作所面临的困难与挑战的看法。 /span /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 单智伟.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201509/noimg/4b855fea-c763-4acc-9d2b-caf1dfb025a9.jpg" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" span style=" FONT-FAMILY: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai" strong 西安交通大学金属材料强度国家重点实验室副主任单智伟教授 /strong /span /p p 　 span style=" COLOR: rgb(0,112,192)" strong 　聚焦原位电镜力学测试技术研究20年 改进电镜试样设计成研究转折点 /strong /span /p p 　　从1996年开始，到金属所攻读硕士学位期间，单智伟就开始了原位电镜技术的应用研究。此后，在近20年的时间里，他的研究或工作内容都没有离开过这一领域。虽然从上个世纪70年代左右，就有人开始原位电镜技术的研究，但一直到90年代末，该技术依然有许多不成熟的地方，还有当时的电镜技术及相应的成像技术都处于比较原始的阶段，所以在这几年时间里，该领域的研究一直没有出现令人兴奋的成果。而且在那个年代，和当前原位电镜技术蓬勃发展的现状不同，很多人都觉得原位电镜研究太难且耗费时间，所以都不愿意做，但单智伟一直坚持了下来，并且聚焦于原位电镜力学测试技术的研发和应用。 /p p 　　2001年，单智伟进入匹兹堡大学攻读博士学位，利用原位电镜进行纳米晶材料变形机理的研究。利用以往的经验和积累，他对电镜的拉伸试样进行了改进，实现了材料的定点可控变形。这和过去人们只能凭经验来确定变形的位置相比，有了很大的进步，也直接导致了一系列科学上的新发现，其中部分成果发表在《科学》和《物理评论快报》上。 /p p 　　2005年，博士毕业后，单智伟加入美国劳伦兹国家实验室国家电镜中心，并作为应用研究科学家参与了劳伦兹国家实验室与Hysitron公司的合作项目，即开发定量的原位电镜力学测试系统。单智伟介绍说：“拥有全定量的电镜力学测试技术，这可以说是好几代从事原位电镜人的梦想。从定性到定量是一个质的变化，以前我们做的原位研究都只是观察到一个实验现象，而没有对力和位移进行高精度定量分析的能力，因此也就没法定量地说材料的性能到底发生了什么变化。” /p p 　　单智伟在国家电镜中心总共工作了14个月，期间的研究成果有3篇先后发表在《自然材料》上。之后，单智伟应邀以真空部门产品线经理的身份加盟了世界著名的纳米力学制造商Hysitron公司。单智伟说：“其实一开始，我还是有些犹豫，不知道自己在企业里能做什么。但Hysitron告诉我，我的工作就是告诉工程师需要研发什么东西就可以，同时我还可以继续开展自己喜欢的研究工作。我觉得自己做这些还是没有问题的。” /p p 　　在Hysitron的四年时间里，单智伟对于原位电镜(包括扫描和透射)力学测试的一系列新产品从讨论、设计到最终推向市场的整个过程都有了充分的认识，并对企业的销售、售后和财务等不同部门的运作都有了深刻的了解。更重要的是他对于原位力学研究相关的仪器开发、以及产品应用都有了前所未有的深入认识。这段经历进一步丰富了他开展原位力学研究的知识积累，为他在该领域做出世界一流的研究成果打下了坚实的基础。 /p p 　　同时这段经历也让单智伟学会了从另外一个角度，即公司的角度看科研设备。他说：“以前在学校和科研院所里，我们总觉得花很多钱买来的先进设备一定是最好的，但到公司后，你会发现再先进的设备有它的优势，同时也有它的局限性，一个科研人员如果不能充分了解这些优势和局限，扬长避短，就很难真正的用好它。而且对于科研人员来说，大可不必觉得仪器神圣不可改动，在对其充分了解的基础上，我们完全可以根据自己的需要对其进行改造。” /p p 　　“其实我们买一台设备，从下订单的那一天开始，它就已经不是最先进的设备了，因为仪器企业在不断的研发、改进，等我们安装好、投入运营了，可能就会有销售人员已经找上门来说他们有更新、更先进的设备，问你要不要买呢。”单智伟说道。 /p p 　　另外，单智伟发现在公司研发设备和在大学里研发设备就智力和资金投入而言其实并没有太多的不同，区别在于，他说：“在大学里，我们一般有一个想法，搭个设备做完研究就搁在一边了，而企业如果觉得一个仪器有市场，他们就会努力研发，不断提高设备的可靠性直到最终推向市场。” /p p 　 span style=" COLOR: rgb(0,112,192)" strong 　缺乏高水平电镜技术人才 仪器改造升级成目前的研究弱点 /strong /span /p p 　　在美国学习工作了近10年之后，单智伟回到中国加入了西安交通大学，并且重新回到了他更感兴趣的材料科学研究领域。之后，在以孙军教授为首的西安交通大学同仁们的鼎力帮助下，单智伟与另外两名‘千人计划’学者马恩教授和李巨教授合作，创建了‘微纳尺度材料行为研究中心’。” /p p 　　2010年，单智伟成为金属材料强度国家重点实验室副主任。同年，他和Hysitron公司合作筹建了“Hysitron中国应用研究中心”。2011年，又与“日立高科技”公司合作，成立了“西安交大—日立研发中心”。这两个中心均为这两个公司在中国设立的首家研发合作单位。 /p p 　　虽然，回国之后经过艰苦的努力，各项工作进展顺利，但有一个问题让单智伟十分头疼——国内极其缺乏高水平的电镜技术人才，尤其是能够对仪器设备进行改造升级的技术人才。尽管目前微纳中心取得了不错的成绩，但在单智伟看来，现有技术人员有一个明显的缺点就是欠缺对仪器设备进行改造的勇气和能力。 /p p 　　单智伟说道：“科研与仪器研发是密不可分的，我们要研究一些前沿的问题，如果没有原创的独特的设备和配套的技术人员，其实很难做到，并且研究也很难在方法上有独特性。而且在美国的小企业创新基金关于科研设备的研发中明文规定，仪器企业在研发期间3年之内，只能与美国的大学、研究机构合作。这就意味着如果我们从美国购买他们的最新产品，往往是人家已经研发应用了3年以上了，因而我们基本就处于跟班的状态。如果我们用这样一个方式与世界同行竞争，是一件很糟糕的事情，也会很吃力。” /p p 　　“但是，我们中国的高校在相当长一段时间内，并不鼓励技术人员对仪器进行改造。所以现在有些时候，我们不仅缺乏改造仪器的能力，而且缺乏改造仪器的勇气。”单智伟说：“其实上个世纪90年代以前，我们国家比较穷，很多科研设备还是自己搭的，这个阶段反而有一些东西比较独特，但后来有了钱再加上各方面的原因，技术人员大多都仅仅成了设备的操作者和管理员。” /p p 　　“另外，科研需要高效率，买了先进的设备，如果没有技术人员养护好它，出了问题不能及时修理好，仪器就不能更好的发挥作用。若是等厂家来修，往往得花一大笔钱。而且在国内，北京、上海可能还好一些。在西安很多厂商的服务是跟不上的，响应不及时且缺乏高水平的技术人员，所以我们就更需要有自己的技术团队。” /p p 　　其实一开始，单智伟是想在市场上招聘优秀的技术人员，但他遗憾的发现，目前国内做电镜代理的人很多，而且包括一些非常优秀的人才，真正做仪器研发的人却非常少。并且仅有的一些人才基本上都是在高校和科研院所，从我们国家目前的人才流动机制来看，他们也基本上是不可能动的。 /p p 　　“我们也找过一些国内厂商合作，但是大家都在忙着卖仪器，我们的活又太小，很难找到合作的企业。”单智伟说道，“不过现在有一个非常好的时机，在国家新的经济形势下，许多企业都要转型，如果我们能说服一些企业，尤其是技术比较好的企业来做这些事情，和他们一起出一些成果，那将是非常棒的事情。” /p p 　　 span style=" COLOR: rgb(0,112,192)" strong 为我国电镜技术人才培养建言献策 期待更多优秀人才加入仪器研发队伍 /strong /span /p p 　　对于目前国内电镜领域高技术人才极其缺乏、研发型的高技术人才几乎完全断档的现状，单智伟也是十分忧虑，在采访中他特别就目前我国电镜技术人才的培养谈了自己的看法。 /p p 　　单智伟表示：“当前我国每年要采购大量的电镜设备，电镜几乎已经成为各个学科的必备设备。从我国拥有的电镜数量来看，需要的电镜技术人才不在少数。但我们针对电镜技术人才培养投入的力量是远远不够的。” /p p 　　“目前在民间，有许多人在为我国电镜人才的培养而努力。”单智伟介绍说，“如苏州纳米所的张锦平老师，提出建立一个电镜学校，我觉得这非常重要，和我们国家的电镜事业发展是密切相关的。但是据了解办学校需要和教育部对接，要做这件事情还是蛮困难的。另外，还有中镜科仪总经理郭新勇同河南技师学院合作开设了电镜教学班，这也是特别棒的一个事情，但它的规模和社会的需求还是有很大差距。” /p p 　　“现在还有许多机构在组织开展一些培训班，但目前我们的培训班都还不够系统，培训时间太短，而且没有检验的标准。而电镜技术有着非常多的细节，不是短时间的培训能够解决的，我们需要更系统的培训，当然要做好这件事，确实也比较难。” /p p 　　“所以从教育部来说，针对电镜，如果能设立专门的学科，或是对电镜技术人才的培养给予足够的重视和支持就再好不过了。目前，我们中心会为每个入学的学生制定详细的培训计划，即便如此，也不太能够达到经过专门、系统培养的人才的水准。” /p p 　　此外，单智伟殷切的期望更多的优秀人才能够加入到电镜仪器设备研发的队伍当中来。他说：“一流的人才并不是只能去做一些看似高大上的工作，只要是社会需求的专业，就需要一流的人才来参与其中。在国外，设备研发都是其国内非常出色的人才，只有最优秀的人才加入了，我们才有可能做出世界级的成就。” /p p style=" TEXT-ALIGN: right" strong 采访编辑：秦丽娟 /strong /p p strong 　　附录：单智伟教授个人简历 /strong /p p 　　单智伟, 国家“千人计划”入选者，教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年基金获得者。1996年毕业于吉林大学材料与科学工程专业，获工学硕士学位；1999年在中国科学院金属研究所获硕士学位；2001年赴美就读于美国匹兹堡大学机械工程系并于2005年获博士学位。2005年-2006年在位于美国劳伦兹国家实验室的美国国家电镜中心从事博士后研究工作。2006年加盟世界著名的纳米力学设备制造公司-Hysitron, 并先后受聘为资深研究员、真空部门经理和Hysitron公司应用研究中心主任。2008年开始与西安交通大学开展合作，先后创建和参与创建了三个国际化的研究中心。现任西安交通大学金属材料强度国家重点实验室副主任，材料科学工程学院副院长，中国青年材料研究学会常务理事和中国电镜学会聚焦离子束专业委员会主任。 /p p 　　单智伟教授的研究领域、方向包括：1)探索并优化材料、尤其是微纳尺度材料的结构与性能；2)应用和发展与之相配套的先进制备、测试与表征技术；3)以原位、动态、定量为主要特征的先进技术和设备为主要研究手段，结合日新月异的计算机模拟技术，选择典型材料为主要研究对象，通过和本领域以及相关领域专家与学者的有效合作，力求系统的建立起微纳尺度材料结构与性能间的定量关系，并为这些材料的最终应用提供坚实的实验基础和方法论的指导。近年来的研究方向主要集中于应用和发展定量的原位电镜变形技术(压痕/压缩/弯曲/拉伸/疲劳+电/热/气氛等)对目前材料研究中的一些焦点问题进行探索，并取得如下主要成就：已在包括《自然》、《科学》、《自然—材料》、《自然—通讯》、《先进材料》、《美国科学院院刊》、《物理评论快报》、《纳米快报》、《材料会刊》等国际顶级期刊上发表论文50余篇，SCI引用超过2530余篇次，单篇SCI引用最高446篇次。组织和共同组织了19次国际学术研讨会；做或署名报告180多个,其中超过一半为邀请报告。 /p p 　　拟拓展的研究目标包括：通过工业化和信息化相结合的手段，颠覆性地革新现有原镁的生产工艺流程，实现原镁的低成本大规模生产，高精度的质量管控和绿色环保可持续发展的工艺流程；和国内同行一起组建起中国镁业的精品产业链条，在每个关键环节的上下游都实现有明确可检验指标的对接，遴选和帮扶起一批质量过硬，信誉卓著，在国际上有显著影响力的镁产品企业和相关的装备企业。 /p

p style=" text-align: center " strong 灰霾颗粒强度足以使大部分工业用合金产生摩擦磨损 /strong /p p style=" text-align: center " strong 西安交大研究人员建议：为工业装备戴上“口罩”降低灰霾危害 /strong /p p 　　近年来，以灰霾为代表的大气污染问题成为社会关注热点。人们都知道，灰霾会威胁人类的健康。那么，长期在灰霾天气中运行的仪器设备，其工作状态和使用寿命是否也会受到影响?西安交大微纳中心单智伟研究团队通过系统的研究，发现相当比例灰霾颗粒的强度足以使大部分工业用合金产生摩擦磨损。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201511/noimg/f21476c1-1b58-45ae-8ef3-234e4114f97f.jpg" title=" 图1.jpg" / /p p 　　由于灰霾颗粒的超小尺寸，对其力学性能的评估一直是一个难点。微纳中心单智伟研究团队在前期对灰霾颗粒形状及成分的研究中发现，除了许多形状不规则的颗粒外，还有很多球形颗粒。借助先进的科研设备，硕士生丁明帅对球形灰霾颗粒进行系统的力学测试。结果表明，相当一部分的灰霾颗粒物的压缩强度足以使大多数工业用合金产生摩擦磨损。而灰霾颗粒物超小的身躯使它们能随空气随机游走，容易地进入到精密设备诸如轴承、活塞等滑动部件的间隙，进而通过产生滑动磨损，损害精密仪器的工作状态和寿命。在外界腐蚀性灰霾气溶胶的帮助下，这一磨损过程还可能会加速进行。 /p p 　　研究人员建议，相关企业在生产中应立即采取相应的预防措施，比如在洁净间进行精密设备的组装、对滑动部件的间隙进行密封处理以及对那些需要吸入外界空气的引擎添加特殊过滤器等来防止或降低灰霾的危害。 /p p 　　以上相关研究结果以“In situ study of the mechanical properties of airborne haze particles”为题在线发表在近期出版的《中国科学：技术科学》英文版，相关研究内容被选作该期的杂志封面。这一研究结果填补了灰霾颗粒力学性质研究的空白，对于灰霾危害的防治具有重要的指导意义。 /p p 　　(原文链接 a href=" http://link.springer.com/article/10.1007/s11431-015-5935-8" target=" _self" title=" " http://link.springer.com/article/10.1007/s11431-015-5935-8 /a )。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201511/noimg/8946b973-3c13-46e0-9a19-78fa236291d5.jpg" title=" 图2.jpg" / /p p 　　该论文的作者包括微纳中心的硕士研究生丁明帅、韩卫忠教授、李巨教授、马恩教授以及单智伟教授。此项研究工作得到中国国家自然科学基金、973项目、111项目、中组部青年千人计划项目等资助。 /p p 　　据悉，微纳中心单智伟研究团队已与西安市环境监测站建立了紧密合作关系，针对大气污染在灰霾颗粒物源解析、污染防治以及空气净化等领域作进一步的研究和合作，期望能够不断地为灰霾的防治做出贡献。 /p

镁是最轻的金属结构材料，在航空航天、交通运输，电子产品和医疗等领域具有广阔的应用前景。然而，相比于传统金属材料，如钢铁和铝合金，镁的塑性变形加工较困难，工艺成本高，制约了其广泛应用。微观机制是决定宏观性能的内在因素，因此，研发高塑性镁合金需要精准认知其微观塑性变形机制，相关研究也一直是镁合金领域关注的重点和热点。众所周知，金属材料在塑性变形时一般会发生加工硬化现象，即随着变形量的增加，材料内部缺陷和损伤逐步累积，流变应力不断增加。当硬化到一定程度时，材料将不具备继续塑性变形的能力，最终发生断裂。对于金属镁而言，其沿晶体学轴压缩时加工硬化十分明显，塑性变形量一般仅在5%-10%左右。针对镁的塑性变形行为和内在机制，西安交通大学单智伟教授团队近年来开展了系统深入研究。研究发现，对于亚微米尺寸的镁单晶，当沿轴压缩时，首先发生由锥面位错滑移主导的塑性变形（详见Liu et al. Science, 365 (6448), 73-75, 2019）。令人意想不到的是，随着加工硬化的不断加剧，原本认为塑性已消耗殆尽的样品并没有断裂失效。当流变应力升高到1 GPa水平时，样品突然被压为扁平状，且没有裂纹产生。此外，被压扁的样品已不再是单晶，而是由多个具有共轴取向关系的小晶粒组成，小晶粒内部有大量的基面和非基面位错。图1 亚微米镁单晶柱在轴压缩下的变形过程。(a)初始样品；(b) 位错的形成和运动；(c) 在样品右下角形成的新晶粒（白色箭头）；(d) 新晶粒中产生位错（白色箭头）；(e)样品被压为扁平状；(f) 在扁平样品上采集的电子衍射。(g)应力-应变曲线显示出变形的三个阶段：弹性变形、塑性变形-加工硬化阶段、塑性变形-应变突跳阶段。通过系统的晶体学分析、显微学分析、原子尺度表征，并结合分子动力学模拟，该团队提出新晶粒是通过锥面-基面转变形成的。在新晶粒形成后，原本已消耗殆尽的塑性得到了再生，继续加载时样品仍可持续发生很大的塑性变形。该研究将这种由变形诱导的在基体晶粒中形成新晶粒的过程称为“deformation graining（形变转晶）”。该过程不必依赖扩散，可在室温下快速发生，所形成的新晶粒与基体晶粒具有特定的晶体学取向对应关系。在新形成的晶粒中，可以继续发生由位错和孪生协调的塑性变形，使得样品重新具有了塑性变形能力（可比拟为“返老还童”）。该研究丰富了对塑性变形机制的认识，为镁的变形加工提供了新的启发：在高应力或高应变速率下加工，可由高应力引发新的变形机制，进而提高镁的变形加工能力。图2 新晶粒在加载时长大，卸载时缩小，二次加载时再次长大，反映了晶界的高可动性图3 新晶粒及其晶界结构该成果以"金属镁塑性变形能力再生新机制"(Rejuvenation of plasticity via deformation graining in magnesium)为题发表于《自然通讯》(Nature Communications)，西安交通大学刘博宇教授为本论文的第一作者，西安交通大学单智伟教授为第一通讯作者，合肥工业大学张真教授为共同第一作者和通讯作者，西安交通大学马恩教授和美国麻省理工学院李巨教授为共同通讯作者。参与该工作的还包括西安交通大学博士研究生刘飞和杨楠、内华达大学李斌教授、吉林大学陈鹏教授、中国科学技术大学王宇教授和江苏科技大学彭金华博士。西安交通大学金属强度国家重点实验室为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金委、111计划2.0、西安交大青年拔尖人才计划等项目的资助。近年来，单智伟研究团队依托西安交通大学材料学院、金属材料强度国家重点实验室、西安交通大学微纳中心和陕西省镁基新材料工程研究中心，开展了一系列富有成效的基础研究、技术攻关和成果转化。2014年，发现了镁中不同于位错和孪晶的室温变形新机制，成果发表于《自然通讯》，并荣获美国TMS学会镁分会年度最佳基础研究论文奖；系统研究了镁合金中析出相形貌对孪晶行为的影响，并进而发展了一种判断镁合金强塑性的简单判据，成果发表于《材料科学技术》（封面推荐，2018）；发现通过活化二氧化碳，可以在室温下将镁表面的氧化层或腐蚀产物转变成一种致密的保护膜层，不仅可显著提升镁及其合金的抗腐蚀性和强韧性，而且大幅提高镁的抗氧化能力，从而发明了一种绿色、低成本镁合金涂层新技术，成果发表于《自然通讯》（2018），并获得国家发明专利授权；应用基于原位电镜的先进测试与表征技术，结合原子尺度成像和三维图像重构技术，揭示了镁中锥面位错的结构特征和滑移行为，首次实验证明其是镁中有效的塑性载体，指出通过促进锥面位错滑移（可通过提高应力和减小晶粒尺寸来实现）可以有效提高镁的塑性，成果发表于《科学》（2019）。针对原镁冶炼工艺落后、自动化程度低和环境污染严重的现状，提出并验证了原本需要在真空条件下进行的原镁冶炼可以在常压进行，并与华西能源公司联合攻关，开展了原镁常压生产的工业化装置的开发。针对原镁杂质元素种类多、含量高、波动大的痼疾，从原子机理出发，开发出全新的工艺流程，可在不显著增加成本的情况下，从料球直接生产出99.99%以上纯度的高纯镁，革新了此前领域内普遍认为皮江法（硅热还原法）不能直接生产高纯原镁的认知。上述成果的推广和应用，有望从整体上提升镁基产品的质量和性能。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28688-9