當地時間8月6日，頂級學術期刊《科學》（Science）發表了中科院金屬研究所的壹篇研究報告（Report），題為“Suppressing atomic diffusion with the Schwarz crystal structure in supersaturated Al–Mg alloys”，該研究為解決高溫下金屬中高原子擴散率帶來的不穩定性提供了新的方法。
該研究報告的通訊作者為中科院金屬研究所博士生導師盧柯院士和李秀艷研究員。
盧柯致力於金屬納米材料研究二十余年，在學術刊物上發表論文400余篇，獲得發明專利40余項。曾獲Acta Materialia金質獎章、德國洪堡研究獎、首屆香港求是基金會“傑出青年學者獎”、國際亞穩及納米材料年會ISMANAM金質獎章、中國青年科學家獎、何梁何利基金科學與技術進步獎、第三世界科學院TWNSO技術獎等獎項。2020年，盧柯因開創性的發現和利用納米孿晶結構及梯度納米結構以實現銅金屬的高強度、高韌性和高導電性，獲未來科學大獎“物質科學獎”。
2018年10月至今，盧柯任遼寧省人民政府副省長，負責 科技 、 體育 等方面工作。分管遼寧省科學技術廳（外國專家局）、 體育 局，重要技術創新與研發基地建設工程中心（產業技術研究院）。
論文中寫道，由於原子間鍵的性質，相對於陶瓷和具有***價鍵或離子鍵的化合物，金屬中的原子擴散率明顯更高。在合成和後續處理過程中，通過調節擴散控制過程，使得結構在不同長度尺度上具有很大的可調性，從而使金屬材料具有廣泛的性能。例如，鋁合金在室溫附近通過金屬間化合物析出而硬化。在熱機械處理中，通過控制擴散相變可以廣泛地調節鋼的強度和塑性。
然而，當金屬暴露在高溫或機械載荷下時，高原子擴散率使得金屬的結構和定制性能不穩定。這種不穩定性是金屬材料發展的主要瓶頸，極大地限制了它們在高溫下的技術應用。
研究團隊提到，抑制原子在金屬中的擴散是壹項挑戰，尤其在高溫下。與更開放的結構相關聯的界面或晶界(GBs)被認為是原子相對於晶格的快速擴散通道。通過優化其他元素的GB偏析，可以減緩沿GB的擴散。然而，隨著合金化程度的增加，第二相形成的趨勢增加，界面合金化也受限。
通過形成單晶消除擴散界面被認為是降低擴散率的標準策略，例如，在渦輪發動機的高溫應用中制造高溫合金單晶葉片的實踐。然而，研究團隊認為，即使在單晶金屬中，在較高的溫度下也不能抑制其高擴散率。在較高的同源溫度下，晶格中的平衡空位濃度顯著增加，不可避免地提高了原子的擴散率。
就在2020年，盧柯等人在《科學》上的壹項重要成果顯示，他們在純銅中發現了壹種極細晶粒的亞穩態結構，即Schwarz晶體結構。研究團隊提到，盡管它包含極高密度的界面，但這種結構在接近熔點的高溫下表現出非常高的熱穩定性，以防止晶粒粗化。
因此，研究團隊認為，研究這種穩定的Schwarz晶體結構是否能夠抑制合金中原子在高溫下的擴散是很有意義的。
樣品SC-8結構表征。
在這項最新的研究中，研究團隊使用高壓扭轉裝置，在77K靜水壓力10GPa的靜水壓力下，使得單相過飽和的Al-Mg（鋁-鎂）合金變形。當施加的應變超過~20GPa時，合金樣品結構被細化到納米尺度，樣品中形成了近似等軸的隨機取向的納米晶粒。粒徑分布均勻，平均粒徑為8nm（樣品SC-8）。通過系列分析測試表明，過飽和的Mg原子均勻地分布在納米晶結構中，而不是像其他室溫變形的Al-Mg合金中那樣在GB上聚集或分散。
AI是壹種高擴散率金屬，Mg是其最擴散的合金元素之壹。研究團隊觀察了具有Schwarz晶體結構的過飽和Al-Mg合金的擴散行為。在不同的溫度下，研究了金屬間化合物的析出、晶粒粗化和熔化等擴散過程。
樣品退火時結構演變。
研究發現，這種最小界面結構不僅能夠使過飽和的Al-Mg合金中的原子表觀跨界擴散率降低了約7個數量級，而且合金結構在高於熔點的溫度下保持不變。
研究認為，這種過飽和Al-Mg合金中的觀察結果與團隊之前在純銅Schwarz晶體樣品中觀察到的抑制粗化直至熔點的納米晶粒的觀察結果相壹致，這是壹個自擴散控制的過程。
樣品晶格常數和晶粒尺寸的穩定性。
論文提到，金屬中Schwarz晶體結構的無擴散特性對於理解界面中的基本擴散過程和固態傳輸動力學具有重要意義，特別是在高溫下。而Schwarz晶體似乎為阻止原子在金屬和替代合金中的擴散提供了壹個堅固的屏障，提高了熔點溫度的穩定性，這種穩定性遠高於傳統合金。
盧柯等人認為，利用Schwarz晶體結構開發先進的鋁和其他合金，將使材料在高溫應用中具備有益性能。
樣品退火後元素分布。
值得註意的是，這是盧柯2000年以來在《科學》雜誌上發表的第13篇文章，此外其還於2010年在另壹頂級期刊《自然》（Nature）發表過1篇文章。盧柯現年56歲，1985年畢業於南京理工大學金屬材料及熱處理專業，1990年在金屬所獲工學博士學位，2003年當選中科院院士（當選年齡最年輕的中科院院士），2005年當選德國科學院院士，2006年被聘為美國Science周刊評審編輯，2018年當選美國國家科學院外籍院士。
校對：張亮亮