那些看似普通的金屬里，藏著一個由無數微小“積木”搭成的微觀世界，這些“積木”就是晶粒。
在發絲萬分之一粗細的微觀戰場，一群中國科學家正用納米尺度的“積木”重構金屬命運。
中國科學院金屬研究所（簡稱金屬所）極限尺寸納米金屬團隊，在研究員李秀艷帶領下，徐偉、張寶兵、羅兆平等成員憑借“金屬極小晶粒尺寸效應”的突破性發現，將銅、鎳等金屬的晶粒壓縮至頭發絲直徑的萬分之一，讓晶粒在納米尺度下“馴服”能量、重塑結構，甚至賦予金屬前所未有的性能。
在中國科學院2024年度科技成就獎的評選中，該團隊因在相關研究中取得的重大突破而獲此殊榮。他們通過自主研發的極端變形技術，將金屬晶粒細化至10納米以下，并發現了臨界尺寸下晶界自發弛豫機制，及由此形成的受限晶體結構。
從高溫合金的抗蠕變到受限晶體的超低擴散行為，這些發現不僅在材料科學領域具有重要學術價值，還為新型高溫合金、鋁合金及耐磨軋輥等部件的研發提供了新途徑，為航空航天、高端制造等領域打開了通往未來的全新大門。
而這一切，始于一場對"不可能"的執著追問——當晶粒小到極限，金屬究竟是混沌失序，還是孕育著改變世界的秩序？
晶界弛豫：從“不可能”到“顛覆性突破”
金屬材料的晶粒尺寸與晶界穩定性的關系一直是學界關注的焦點，那么晶粒究竟能有多小？
傳統理論認為，晶粒尺寸越小，晶界能量越高，材料結構越不穩定。因而晶界一直被普遍認為是高溫合金抗蠕變的“短板”，制約著納米金屬材料的研究與應用。
李秀艷從加入團隊起，就一直想要打破這一桎梏。
他們通過自主研發的低溫表面納米化設備，成功突破了傳統金屬晶粒尺寸的極限，將多種金屬的晶粒細化至40納米以下。進而，在對銅的研究過程中，他們發現了當時還沒有被清晰認知的晶界弛豫現象——當晶粒尺寸小于70納米這個拐點，材料穩定性大幅提升，甚至晶粒尺寸越小，穩定性也越高。
在找出根本原因、厘清機理之前，同行乃至許多前輩學者都認為是材料中的雜質導致的該現象。“即使你仔細分析了材料里有什么、沒有什么，那人家會認為是因為雜質含量低沒有測出來而已。”但是根據以往觀察到的一些數據點，李秀艷和同團隊的中國科學院院士盧柯堅定認為，這個拐點不是雜質導致的。
李秀艷把自己全身心投入了這個謎團，不僅天天想，到后來走路也在想、睡覺也在想， “夸張一點兒說，甚至我在夢里都在思考這件事，有時夢里會覺得豁然開朗，醒了又不記得思路，會感到好遺憾啊！”甚至有次送女兒上學，因為想得太專注，差點把孩子丟了。
直到有天下班，李秀艷正要去買晚飯，突然靈光閃現：雜質一般都在材料表面，那么進行一組對比實驗，把雜質分別附著在晶粒尺寸40納米（團隊當時能做的最小尺寸）和70納米的材料表面，如果是雜質的原因，兩者受到的影響應該一樣，但對比結果表明，40納米材料非常穩定，而處于拐點臨界點的70納米材料不穩定，說明現象的原因不在于雜質。
“想到這個論證辦法的那一刻非常開心。那種喜悅比后來發了《科學》等期刊更讓人回味。”李秀艷感慨，所謂的靈光閃現，離不開時時刻刻的思考的積累。
在后來的研究中，團隊終于發現，晶界弛豫態純銅的變形機制，是由全位錯轉變為不全位錯，使晶界遷移速率大幅降低，提高了材料受力下的穩定性。并且晶粒尺寸越小，弛豫越充分，穩定性也就越高。
晶界弛豫是晶粒尺寸極小化后的必然現象，這一發現徹底顛覆了“晶粒越小越不穩定”的傳統觀念，為理解金屬的晶界結構提供了全新的視角，還為高溫合金的研發提供了全新思路。
團隊成員張寶兵通過引入晶界弛豫效應，成功開發出納米高溫合金，在航空航天領域展現出巨大應用潛力。這一成果再次發表于《科學》。
受限晶體：從數學概念到材料革命
在探索金屬極小晶粒尺寸效應的道路上，該團隊不斷取得新的突破。
工欲善其事，必先利其器。在加工裝備上，他們同時實現了低溫、高壓、高剪切3個條件，制備出低溫高壓扭轉設備。
在材料研究上，他們在將純銅晶粒細化至3～5納米時，發現材料轉變為一種全新的亞穩結構——受限晶體（Schwarz Crystal）。
三維周期性極小面的結構最早由德國數學家施瓦茨在19世紀提出，受限晶體的晶界網絡具有三維周期性極小面的特征，因此，其具有前所未有的超高熱穩定性和超高強度，顛覆了人們對傳統晶體結構的認知。
在發現晶界弛豫后不到1年時間，該團隊就在試驗中觀察到了這種全新結構。但同樣出現了問題：難以解析這個拓撲結構。
花了兩年時間進行分析，又遇到了新問題：怎么把觀察到的平面，用三維結構表現出來？他們的方法，是拿乒乓球當原子，進行拼搭，粘了幾百個，還是沒有實現，又3D打印機打了很多小結構想用組裝的方式實現，依然不奏效。
這次豁然開朗的時刻是在一個春節假期，有團隊成員突然意識到應該新結構是受限晶體，群里接著就發生了熱火朝天的討論，結論很清晰：這個設想可能性非常高。
在接下來的研究中，團隊通過計算模擬驗證了這個想法。“這個結構肉眼可見了。”李秀艷介紹。
隨后，他們揭示了受限晶體形成的物理機制：晶界弛豫首先形成同樣存在于猜想中的Kelvin晶體，然后進一步調整為相應的極小面結構，最終形成受限晶體。該成果被《物理評論快報》選為封面文章。
今年春節前后，該團隊因首次發現納米尺度下 Kelvin 晶體的存在，再次在《物理評論快報》發表成果，他們同時還證實，受限晶體是比Kelvin晶體更穩定、更普遍的亞穩態結構。
受限晶體的發現表明，在單晶和非晶之外還存在其它亞穩固態，其穩定性遠高于非晶，而強度遠高于單晶。并且，目前已經在十余種金屬中發現了受限晶體，說明其可能是金屬細化到晶粒尺寸極限時的一種普遍選擇，為新型金屬材料的設計和開發提供了新的方向。
團隊成員徐偉因在受限晶體鋁合金中，發現該結構具有超低原子擴散率，顯著抑制合金中擴散主導的相析出、調幅分解和熔化等動力學過程，攻克了高溫下金屬高原子擴散率帶來的不穩定性難題。成果同樣發表于《科學》。
團隊成員羅兆平在3～8納米晶粒的穩定面心立方結構純鎳中，發現了密排六方結構的異常相變，表明晶粒尺寸極小時，可能誘發某些金屬晶體結構的失穩，成果發表于《材料學報》。
從實驗室到工廠：星星之火可以燎原
晶界弛豫、受限晶體結構和異常相變等效應的發現表明，金屬晶粒尺寸極小時，結構會呈現出前所未有的變化，為固體結構的探索開辟了新的空間，也可能為金屬帶來新的獨特性能。
“基礎研究的價值在于應用。”該團隊的極小晶粒尺寸效應研究，不僅停留在理論層面，還成功轉化為實際產品。
團隊與中鋁西南鋁業合作，開發出表面晶粒約30納米的軋輥，替代傳統鍍鉻輥，顯著降低了成本和環境污染。目前，該納米軋輥已在西南鋁業工業化生產鋁卷2萬余噸，取得了顯著的經濟效益和社會效益。
“過去鋁箔軋輥需要鍍鉻，既昂貴又不環保。我們的技術只需在現有工藝上增加一道處理工序，成本降低的同時性能大幅提升。”徐偉介紹。
此外，團隊還開發出表面晶粒約20納米的一些關鍵零配件，大幅提升其耐磨蝕性和穿透性，相關產品已通過用戶測試。
高溫合金領域的應用同樣令人期待。通過晶界弛豫和受限晶體效應，團隊成功研發出高性能納米晶高溫合金。這種合金在不添加貴金屬的條件下，顯著提升了高溫強度和抗蠕變性能，為航空航天領域的自主可控提供了有力支撐。
“我們的高溫合金樣品目前只有厘米級，但已經展現出超越傳統合金的性能。”李秀艷表示，團隊正在與企業合作，探索如何在更大尺寸部件中實現性能調控。
該團隊取得的系列成果，離不開對科學真理的執著追求和對未知領域的勇敢探索。團隊的科研氛圍同樣令人稱道。在這里，在知名期刊發表了文章也沒什么特殊的。“大家就是受到對科學的熱愛和對真理的追求驅動，不停前進。”羅兆平說。
面對未來，團隊充滿信心。“我們將繼續探索極小晶粒尺寸效應的更多可能性，特別是在導電導熱等性能上的特殊表現。”李秀艷表示，團隊希望為材料科學貢獻更多“從0到1”的原始創新，為國家的科技自立自強提供堅實支撐。“科學的魅力，在于從‘無人區’中尋找答案。”