一个困扰材料学界上百年的经典矛盾正在被打破。中国科学院金属研究所卢磊团队近日凭借"基元序构金属的创制"摘得2025年度中科院杰出科技成就奖，他们用一系列发表在《科学》和《自然》杂志上的突破性成果证明，金属的强度与塑性并非天生对立，关键在于如何让微观结构"有序起来"。
这不是简单的材料改良，而是一场设计哲学的革命。传统金属材料研发追求"越均匀越好"，而卢磊团队却反其道而行，通过构建不均匀的梯度结构，让金属获得了超越混合法则预测的"额外性能"。更令人震撼的是，他们发现了一种全新的塑性变形机制，层错密度比传统位错高出两个数量级，彻底改写了教科书中的经典理论。
当拧麻花成为科学突破的密码
如果你看过工人拧钢筋，就能理解卢磊团队的核心技术有多巧妙。他们发明的"循环扭转"工艺，说白了就是像拧麻花一样反复扭转金属棒材，在材料内部从表面到芯部形成梯度分布的位错胞结构。这些只有头发丝三百分之一尺寸的微观"钢筋骨架"，成为抵抗变形的关键防线。
2021年，团队将这项技术应用于高熵合金，结果让整个材料学界都惊掉了下巴。这种单相合金的强度提升了约3倍，达到1.2吉帕级别，同时还保持了与粗晶材料相当的高塑性。要知道，在传统认知里，这两个性能指标就像跷跷板的两端，一边上升另一边必然下降。
真正的颠覆来自2023年。当团队在低温环境下测试这种梯度位错胞结构合金时，发现了一个完全违背常识的现象。材料展现出前所未有的超高应变硬化能力，硬化率甚至超过了理论上具有最高硬化潜力的粗晶金属。这就像一个身材瘦小的人突然爆发出超越健美冠军的力量，完全不符合物理直觉。
潘庆松回忆这段研究经历时坦言，团队内部一度以为实验出了问题。"位错理论是我们的经典，当突然发现经典不够用时，需要一个接受的过程。"经过长达一年的深入分析，他们终于确认，性能突破源于一种全新的变形载体：原子尺度的层错。这种二维平面缺陷取代位错成为塑性变形的主导机制，其密度比位错高出两个数量级。
从竹子和骨骼中汲取的设计灵感
这场科学革命的种子，其实埋藏在大自然亿万年的演化智慧中。卢磊团队的突破性思想来自一个简单的观察：为什么自然界最优秀的材料都是不均匀的？
人体骨骼由外到内呈现梯度致密结构，外层坚硬抗冲击，内层轻质有韧性。竹子通过分级的纤维束实现轻质高强，每一层都有不同的密度和取向。这些天然复合材料的性能，远超人类制造的均匀材料。
受此启发，团队提出了"基元序构"的设计范式。"基元"是金属中最基本的微观结构单元，如晶粒、位错、孪晶。"序构"则是将这些基元按特定方式跨尺度排列，形成梯度、层状等非均匀结构。这就像组织一场接力赛，让不同特长的运动员在最合适的赛段发挥优势，团队总成绩远超个人最好成绩之和。
基元序构铜箔中试技术开发现场。受访者供图
2018年，团队在纯铜中首次验证了这一概念。他们利用电解沉积技术制备出梯度分布的纳米孪晶结构，结果发现这种梯度样品的综合性能竟然超过了梯度中性能最好的那个均匀基元。这是人类第一次通过实验证明，"梯度序构"能带来超越混合法则的额外强韧化效应。
从实验室到车间的漫长征程
卓越的基础研究最终要服务于国家需求和产业发展。团队深知"料要成材，材要成器，器要好用"的道理，在获得系列科学发现的同时，已经开始布局成果转化。
他们盯上了两个关键领域。第一个是高端电解铜箔，这种材料是集成电路互连线和锂电池负极集流体的核心基材，被誉为"工业神经"和"新能源血脉"。问题在于，高强度与高导电率、高韧性难以兼顾，已成为全球共性挑战。团队利用序构技术研制的高性能铜箔样品，相关专利已进入转化阶段。
第二个战场是重大工程装备的关键部件。团队与所内擅长工程应用的李殿中团队强强联合，将基元序构思想应用于轴承钢等材料。实验室结果显示，序构化处理后材料的疲劳寿命、耐磨性、强韧性等综合性能得到协同提升，为重要装备的升级换代提供了潜在的革命性解决方案。
2025年发表在《科学》上的最新成果更是让人振奋。团队在常用的304不锈钢中引入梯度位错胞结构，使其屈服强度提升2.6倍的同时，抗循环蠕变能力惊人地提升了2到4个数量级。这意味着在相同工况下，材料的服役寿命预期可能从几年延长到数百年，对保障重大工程装备的长期安全至关重要。
其背后的机理更为深刻。研究表明，在循环载荷下，梯度结构能够激发持续的、协调的三维结构转变反常马氏体相变，动态地细化微观组织，从而有效抑制了应变局部化和循环软化。这一发现将基元序构的设计理念从提升静态力学性能，成功拓展至提升动态服役可靠性的全新高度。
二十年磨一剑的科研坚守
这场材料学革命的背后，是团队二十余年的厚积薄发。卢磊从1997年起便专注于纯铜微观结构调控，这种"把一件事做到极致"的坚持，为基元序构的突破埋下了伏笔。"全世界很少有团队或个人能像我们一样，专注于纯铜研究长达21年。"潘庆松说。
从纯金属中梯度纳米孪晶的"位错"载体，到高熵合金中梯度位错胞激发的"层错"载体，再到不锈钢中循环载荷下诱发的"反常相变"载体，团队揭示了一条变形载体随约束升级而不断演进的清晰路径，实现了材料性能的阶梯式跃升。
"我们好像打开了一扇门，里面是一个全新的世界，但我们看到的可能只是冰山一角。"卢磊说。面对未知，他们既有紧迫感，也充满敬畏与期待。当前，团队正致力于将基元序构的设计理念拓展至更广阔的材料体系，并加速推动已有成果的产业化，以期让更多"中国创造"支撑起大国重器的脊梁。
从教科书理论的突破到工程应用的落地，卢磊团队走出了一条完整的科研创新路径。他们用行动证明，真正的科学突破不是简单地改进现有技术，而是敢于挑战经典认知，从自然中汲取灵感，在微观世界中寻找规律。当一块金属的内部结构可以像大自然的竹子和骨骼一样精妙设计时，人类制造的极限又向前推进了一大步。
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