作者:张晴丹 来源:中国科学报 发布时间:2024/2/3 9:20:02
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百余次失败终实现零的突破!93年博后回国入职西湖大学

 

已经不知道失败多少次了!杨尧再次把制造出的高熵合金纳米颗粒放到3毫米宽、6纳米薄的基底上,他的目的是采集纳米粒子中每个原子的三维影像。每一次旋转样品时都“步步惊心”——这些颗粒一旦损坏分毫,就失去了意义。

就这样小心翼翼、日复一日地测试参数、拍摄,用了3年才采集完所有数据。尽管成功率很低,但痴迷于探索纳米世界的杨尧一次也没有想过放弃。

读博时已手握两篇Nature的他,近日再度以第一作者身份在Nature发表论文,让跨越6年的研究终于画上完美的句号。这一次,他与合作者使用先进的成像技术,首次绘制出中熵合金、高熵合金纳米颗粒的三维原子位置,并解析结构和性能之间的关系,为创造新型合金打开了新世界的大门。

在外“打磨”科研能力7年后,他选择回国效力,全职加入西湖大学工学院,成为一名独立PI,带着朝气蓬勃的年轻队伍继续驰骋在科学的浩瀚中。

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杨尧

零的突破:更好地指导下一代合金

人类文明的进步与新型材料的不断发明关系紧密,而合金在我们的生活中几乎无处不在。

合金是由两种或多种金属元素结合而成的材料。以钢为例,它是现代生活的基础之一,是建筑物、交通工具、电子产品、家用电器等必不可少的组成部分。

然而合金并不完美,它存在着和大多数材料相同的限制:坚硬的合金在应力作用下往往容易变脆并断裂,而柔韧的合金在应力作用下则容易凹陷。也就是说,想制造出硬度高又韧性好的合金几乎是不可能的。

不过,科学的本质就是挑战不可能。大约20年前,合金材料界杀出一匹“黑马”——中熵合金和高熵合金,打破了这个僵局。这种高性能材料同时结合了硬度和柔韧度,让金属材料拥有了更多不可思议的可能性,在航天、国防、核能等领域都有很大的发展潜力,因此也被称为“下一代合金”。

传统的合金主要是一种“主角”金属与较低比例的其他金属混合,例如不锈钢,铁的含量可以达到四分之三或更多。而中熵合金以大致相等的数量结合三种或四种金属;高熵合金以同样的方式结合五种或更多金属。

正因为这种“一锅大乱炖”,中熵合金和高熵合金里面的化学成分非常多,而且元素分布非常无序,内部原子的位置极度混乱,使得这种材料的一些性质不好控制。这个问题困扰科学界久矣。

为什么要关注每个原子的位置?因为改变其中原子的位置,就可能改变该材料的属性。“我们就想摸清中熵合金和高熵合金内部的元素分布,并解析结构和性能之间的关系。”杨尧在接受《中国科学报》采访时表示。

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高熵合金纳米颗粒

他们使用一系列金属制造纳米颗粒,纳米颗粒非常小,可以用十亿分之一米来测量。其中,6个中熵合金纳米颗粒结合了镍、钯和铂;4个高熵合金纳米颗粒结合了钴、镍、钌、铑、钯、银、铱和铂。

合成这类合金何其困难。研究人员在超过2000华氏度的温度下将金属液化,时间为百分之五秒,然后在不到十分之一秒的时间内将其冷却。这项技术由美国马里兰大学教授胡良兵团队负责完成。

杨尧再通过基于原子分辨率的电子三维重构法,探究纳米颗粒里所有原子的位置以及化学元素的分布。“由于其体系比较复杂,就使实验操作起来非常麻烦。”

要看清楚原子的三维结构,对分辨率要求极高。杨尧采用了美国加州大学洛杉矶分校物理系教授缪建伟开发的一种名为原子电子断层成像技术(AET),先是用透射电子显微镜(TEM)对纳米颗粒进行多角度拍摄,再通过计算机重构三维原子结构。

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三维原子成像原理

在前期采集图像时,杨尧吃尽了苦头。在采集的过程中,有些纳米颗粒很容易损坏,所以需要格外小心。为了保证每一张图像的质量,杨尧和合作者前前后后花了许多工夫调试参数。他们从2018年开始采集数据,失败了上百次,用了3年时间才完成。

结合数据处理和三维重构算法,研究团队首次绘制了中高熵合金纳米颗粒的三维原子结构,并首次直接观察到其三维原子序。

在对结构进行分析时,他们聚焦到一种被称为孪晶界的结构缺陷,可能是中高熵合金能兼具硬度和柔韧的关键因素。“我们首次在实验中观察到孪晶界的形成与元素分布有关系。”杨尧介绍。

这项研究为中高熵合金的未来发展提供了新视角。从此,科研人员跳出传统合金材料的桎梏,可以在金属材料创制上有更多的“天马行空”。

做实验成了最大爱好

从小自律的杨尧,是父母和亲戚眼中非常省心的孩子。当年高考他以优异的成绩跻身清华大学,成为材料系的一员。彼时,他对纳米研究萌生浓厚的兴趣,“微观世界太吸引我了!你可以通过操纵原子的位置,从而改变材料定制的方式,这很有意思”。

一次机缘巧合,杨尧发现了一个非常有意思的课题组——缪建伟实验室。缪建伟在三维衍射显微领域做了许多开创性的工作,网上对于这位“大牛”的履历介绍更是令杨尧心驰神往,尤其是这个实验室能够做原子级别的三维重构,让他觉得非常酷炫。

2015年本科毕业后,杨尧申请到加州大学洛杉矶分校读博,终于得偿所愿加入缪建伟实验室。这是一个疾驰前进、硕果累累的科研团队。初来乍到的杨尧感受到了自身的差距。

看着自己稍显单薄的知识“家底”,杨尧决定疯狂“恶补”。“以前学的东西简直九牛一毛,基本上算是重新开始。我需要快速掌握统计学、重构算法、数据分析等知识。”于是,读博初期,图书馆、自习室总能觅得他翻阅书本、专心致志的身影。

积累了很扎实的知识基础,杨尧开始脚踏实地做科研。站在这样一艘实力雄厚的大船上,他的实验操作能力和实验技巧进步飞速。做实验成了他最大爱好,读博时的大部分时间都泡在实验室里。后来在缪建伟实验室继续做博士后工作时,他对实验的痴迷更甚。

那时候,他主要做电镜的实验,与合作伙伴要在劳伦斯伯克利国家实验室完成大部分数据采集工作。劳伦斯伯克利国家实验室位于伯克利的一座山上。与杨尧读博时所在的洛杉矶不同,这里人迹罕至,山上也比较荒凉,实验室非常偏僻,而每天的工作只有做实验。

“那是我最喜欢的一段静谧时光。尤其是晚上做完实验的时候,在山上望着山下建筑物里的灯光,很惬意。每天不用想别的,只专注于做科研。当脑子里杂七杂八的事情都被抛出去,全身心投入到实验上时,我感受到了前所未有的放松。哪怕每天从早上八点忙到晚上十一二点,也还是干劲十足,觉得一切都很充实且有意义。”杨尧说。

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杨尧在劳伦斯伯克利国家实验室拍的山下风景

现在,授课、搭建实验室、申请课题、指导学生……杨尧每天忙得团团转,他时常忆起那段在山上心无旁骛、全身心投入科研的岁月,心中有些许怅然。

严师出高徒,追求科研品味

在杨尧的学术生涯里,缪建伟对他的影响最大。

“科研对缪老师来说是最重要的一部分,他对待科研非常严谨,或者说一丝不苟。他十分追求‘科研品味’,要求你做的研究有意义,每一个东西都能有迹可循,无论多细枝末节都得弄清楚讲明白。可以说我很多的科研习惯都源自于缪老师。”杨尧表示。

究竟有多严谨呢?在缪建伟组里的每一个项目都会经历“Double check”。

“我在组里做的第二个项目是跟另外一个博士后同时进行。同样的项目,俩人完全分开做去解决同一个问题。我们分别用了两套完全不一样的算法,最终要得到同一个值。”杨尧介绍,“Double check”训练非常磨炼人,他们做了几个月,就为了让两套算法能得到一个值。起初俩人算出来的东西无论如何都不一样,他们又无数次地改变逻辑、改写代码、调整结构,才最终成功。

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杨尧

从同一个起点出发,分别走两条不同的路线,最后到达同一个终点。能经受得住“Double check”考验的科研成果,其含金量可想而知,也必定能经得起时间的检验。“哪怕经过了百年之后,它也同样还是一个好作品。”这就是缪建伟所要达到的效果。

缪建伟常对学生强调三个“P”理念:Passionate、Persistent以及Persuasive。在该理念的熏陶下,杨尧也对自己有了更高要求。他把所有精力倾注在科研上,取得了不错的收获——在读博期间发表了两篇Nature,并且是其中一篇文章的第一作者。

2022年10月,杨尧结束了博士后工作,回国全职加入西湖大学工学院,建立了自己的实验室,目前已有2名博士后和4名博士。他给每个学生都安排一个独立的项目,为的就是锻炼他们各方面的能力。他的办公室和实验室相连。除了关注科研进展外,他也经常与学生交流,关心和了解他们的心理状态。

“学校的科研氛围很好,大家都充满热情和活力。而且我有好多校友也在这里任职,今后我们可以开展多方面合作。我对未来充满期待。”杨尧说。

(文中图片均由受访者提供)

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06785-z

 
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