西安交大研究团队说：“有些雾霾颗粒机器都压不碎，竟比钢铁还要硬!"
▲摄于西安交大材料科学与工程学院、金属材料强度国家重点实验室。 本报驻陕记者 韩 宏摄
5月25日，西安交大举行新闻发布会，宣布《微纳尺度典型金属材料的力学特性及其内在机理》等6项科技成果获得陕西省科学技术一等奖。
《微纳尺度典型金属材料的力学特性及其内在机理》是该校材料科学与工程学院副院长、金属材料强度国家重点实验室副主任单智伟教授研究团队完成的。
“迄今为止,没有成熟的理论体系来描述微纳尺度材料的力学特性及内在机理。”团队成员刘博宇博士介绍，社会发展对功能器械小型化的强劲需求，推动着微纳米科技的快速发展，对高性能长寿命器件的设计需求期望微纳尺度材料结构与性能的理论知识体系尽快得以系统建立。但由于缺乏必要的测试仪器和定量表征方法等因素，使得该领域的科研工作充满了挑战性。
▲5月25日，西安交大材料科学与工程学院刘博宇博士代表研发团队在科技成果发布会上发布研究成果。本报驻陕记者韩 宏摄
“给金属材料做‘按摩’、像‘水流’一样的缺陷、比钢铁还要硬的雾霾颗粒”，发布会上，刘博宇通过三个小故事解读了项目研究中典型材料的力学行为。他说“微纳尺度”就是10nm-10μm。团队平时测试、加工的就是那些比头发丝还要细100倍甚至上千倍的金属材料，要把这些极小的东西放在超高分辨率的电子显微镜下放大10万倍，来观察它的结构和缺陷，进行精准测试，“就像是微雕一样，要在一粒大米上‘刻出一个故宫来’！”刘博宇笑着说道。
“我们手机里的零件，小到微米、纳米、微纳米级别，对这些微纳尺度材料，用传统方法很难修复它的缺陷，因为加热退火不适用，会造成氧化、挥发和失效。我们就用很柔和的方法来消除缺陷，修复它让它更完美地应用。”刘博宇说，他们采取低力度、多次数加载的“按摩”法，来消除材料内部的缺陷，再经过修复使材料达到一个很高的水平。
项目组研制和发展了系列电子显微镜下的原位、动态和定量的纳米力学测试技术，结合分子动力学、有限元分析等计算机模拟手段，选取了立方结构、密排六方结构和玻璃态等典型结构的金属材料为研究对象，一方面系统研究了它们在微纳尺度下的力学特性及其潜在的物理机理，另一方根据其塑性变形机理提出了有针对性的强韧化策略。开发的技术在国计民生领域得到应用，取得了很好的社会效益。
▲在西安交大实验室，一名科研人员用镊子将一个极小的钢铁材料小心翼翼地放入测试设备。本报驻陕记者韩 宏摄
利用开发的微纳表征测试技术，该团队对西安市雾霾颗粒的成分、形貌和力学性能进行了系统定量测试，研究成果获得社会广泛关注。
刘博宇说，2013年冬天西安雾霾严重，大家在街头采集了雾霾颗粒。通过原位扫描电镜纳米力学实验，他们发现，这些大气球形颗粒物中有70%的颗粒具有较高的强度，足以使大多数工业用合金构件产生磨损。计算发现，即使是硬度很高的工具钢，灰霾颗粒也能使之产生磨损，从而可能威胁仪器设备的工作状态和使用寿命。团队提出了构件尤其是精密仪器构件应设计相关防霾装置的建议。
校内的金属材料强度国家重点实验室，一台台超高分辨率设备在工作。指着一台透射电子显微镜设备，刘博宇介绍道：“这台设备，在放大10万倍情况下，可以实现对材料的精准测试，测试雾霾颗粒是不是比钢铁坚硬，有多硬。给金属做‘按摩’（拉伸、压缩等），是在旁边那个力位移传感器上完成的。”
实验中他们发现，有些雾霾颗粒机器都压不碎，竟然比钢铁还要硬，不仅威胁人类身体健康，也会损害精密仪器。
▲在实验室，刘博宇博士向记者介绍正传送“按摩”实况的这台传感器。本报驻陕记者韩 宏摄
刘博宇告诉记者，测试表明，西安市区2013年冬天的雾霾颗粒，有的是非常完整的球体，有的里面晶莹剔透，有的是一根根的线状，还有的像食盐的颗粒。这些颗粒可分为10类，除扬尘颗粒外，主要污染物是硫颗粒、硅氧化物、燃煤飞灰、烟尘集合体及铁氧化物，有的还含有重金属。
据了解，单智伟教授团队聚焦本领域国际上的前沿问题，在《美国科学院院刊》《自然通讯》《先进材料》等权威期刊发表的20篇主要论文他引总次数448次，其中SCI他引326次，被包括25位院士和知名材料学家在内的30个国家430余名研究人员在110种国际期刊引用。其中1篇论文入选ESI高被引论文及“中国百篇最具影响力国际学术论文”，1篇获得2014年度美国TMS学会轻金属分会镁合金最佳基础研究论文奖，部分成果获“陕西高等学校科学技术奖”一等奖。
▲西安交大单智伟教授研发团队。 西安交大材料科学与工程学院供图
作为首席科学家团队，该实验室承担了一批国家重大、重点科技项目，研发的多项技术在国际相关学术领域产生了显著影响，并成功应用于国防新概念和国家重大工程及装备的研制生产。获得10项国家科学技术奖为代表的重要研究成果。
文：报驻陕记者韩 宏
图：韩 宏
编辑制作：韩 宏
责任编辑：叶志明
*独家稿件，转载请注明出处。