第一作者：Zhao Cheng , Haofei Zhou
通訊作者：盧磊、高華健
通訊單位：中科院金屬所、布朗大學
研究亮點：
1. 發展了一種電化學法引入梯度納米孿晶的策略，實現了金屬銅強度和硬度的同時增強。
2. 發現了體相梯度材料的力學性能超過組成它的每一個單獨的微結構。
受自然界中骨骼、貝殼以及樹木中天然存在的梯度結構的啟發，梯度納米結構越來越多地被引入到工程材料中，以實現強度、硬度等力學性能的提升。然而，受限于體相梯度材料的制造方法，對于結構梯度和力學行為之間的構效關系的理解，還不甚明了。
有鑒于此，中科院金屬所盧磊課題組和布朗大學高華健課題組合作，通過電化學方法引入梯度納米孿晶，在金屬銅中成功構建了結構梯度，實現了強度和硬度的同時增強。
值得一提的是，盧磊課題組和高華健課題組于2017年合作，在Nature報道了一種與疲勞歷史無關的、具有循環穩定響應的高度取向納米孿晶結構銅材料！這是兩個課題組在納米孿晶銅領域的再一次突破！
圖1. 金屬中高度可控的結構梯度
研究人員通過直流電電沉積法成功制備得到了體相的梯度納米孿晶純Cu樣品，晶體內部產生大量位錯，材料整體強度得到極大提升。有趣的是，體相材料的力學性能超過組成它的每一個單獨的微結構，這是之前文獻中都沒有報道的。
研究人員認為，這種獨特的力學行為來源于幾何必要性位錯產生的獨特圖案，這些超高密度的位錯抑制了滑動行為，產生塑性變形，導致額外強化和加工硬化。
總之，這項研究展示了梯度納米孿晶結構在不同尺度上的重要性，為下一代高性能金屬的研究帶來了新的思路和借鑒。
圖2. 梯度納米孿晶中典型的微結構和結構梯度
圖3. 梯度納米孿晶的力學行為
圖4. 梯度納米孿晶微結構的形變（1%應力）
圖5. 梯度納米孿晶力學增強機理的模擬計算
參考文獻：
Zhao Cheng, Haofei Zhou, Qiuhong Lu,Huajian Gao and Lei Lu. Extra strengthening and work hardening in gradientnanotwinned metals. Science 2018, 362, eaau1925.
DOI: 10.1126/science.aau1925
http://science.sciencemag.org/content/362/6414/eaau1925
作者簡介：
盧磊
盧磊，中國科學院金屬研究所研究員, 博士生導師。研究組主要從事塊體納米結構金屬材料的研究，包括樣品制備、微觀結構表征、結構穩定性、綜合力學性能和理化性能。通過理解其結構性能關系，揭示納米結構金屬材料的強韌化機理。
1997年7月于中科院金屬所獲工學碩士學位，2000年6月于中科院金屬研究所獲工學博士學位，畢業后留在中科院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室工作。
2012年12月11日，盧磊研究員憑借其在高強高導金屬材料領域的研究成果獲得第九屆“中國青年女科學家獎”
高華健
高華健，固體力學家，美國國家工程院院士、中國科學院外籍院士，美國布朗大學終身教授。
1982年畢業于西安交通大學工程力學系，1988年獲哈佛大學工程科學博士學位。曾任斯坦福大學教授、德國Max-Planck金屬材料研究所所長。2015年12月7日當選中國科學院外籍院士。2018年5月1日當選美國科學院院士。
高華健的研究領域是固體的宏微觀形變和破壞行為。他主要的三項科學成就是：
1）創立基于微觀機制上的應變梯度理論和發展微納米塑性變形機制的模擬計算；
2）建立納米生物結構的力學理論體系；
3）創立超音速和超彈性動態斷裂力學。
基于位錯力學，高華健從描述材料強度與位錯密度之間的Taylor律出發，用一個多尺度的范式創立了MSG理論；他的MSG理論和微納米塑性變形機制的工作被全世界64個國家和地區2411所大學和科研機構引用。自然界能夠將柔軟的蛋白質和脆性的礦物質組合形成異常堅韌的生物材料；高華健的研究揭示，生物結構材料中存在著一類特定的納米結構：即堅硬的板狀材料交叉鑲嵌于較柔軟的基體中；他提出的“拉-剪鏈”模型和“分形骨骼”模型成功地解釋了骨骼多尺度變形的實驗結果。經典的力學理論認為、裂紋的擴展速度無法超越彈性波波速；高華健通過超大規模分子動力學模擬首次發現了超音速裂紋擴展，他的研究打破了傳統的斷裂力學理論，成功地解釋了高速裂紋擴展下裂尖失穩的實驗結果。
高華健已經發表學術論文300余篇，ISI引用18600余次，在世界固體力學領域學者過去20年中的引用排名第一。高華健是目前國際上60歲以下固體力學家中最杰出的代表。在2012年國際理論與應用力學聯合會上，他被授予四年僅一人的世界力學界最高榮譽—Rodney Hill固體力學獎。授獎詞中講到“他的研究成果奠定并拓展了現代力學研究的前沿”。2015年，他先后獲得美國工程科學協會的最高獎—William Prager獎，和美國機械工程師協會的材料類最高獎—Nadai獎。
