双连球

近日，河北工业大学原子尺度研究团队在国际顶级学术期刊Science Advances上发表了题为“Enhancing strength and ductility via crystalline-amorphousnanoarchitectures in TiZr-based alloys”的研究论文，揭示了纳米尺度晶体-非晶三维双联续结构有助于改善材料强度和塑性的固有矛盾，实现材料强度和塑性的同时提升。论文发表页面展示强度和塑性是金属结构材料的两个重要力学性能。但是，强度的提高往往伴随着其塑性的降低，即强度和塑性呈倒置关系。例如，细晶强化和第二相强化会降低应变硬化能力，从而降低塑性。金属非晶材料（又称金属玻璃）通常要比对应的晶体材料具有更高的强度，但是其在2%塑性应变下就会出现灾难性的脆性断裂。由连续的非晶基体和微米尺度晶体枝晶组成的金属玻璃基复合材料（MGMC，如图1a-b所示）能够在一定程度上协调强度和塑性，但是MGMC在拉伸下没有应变硬化能力，所以MGMC的抗拉强度无法得到有效提升。与晶体材料不同，随着特征尺寸减小到纳米级，金属玻璃的变形能力显著增强。因此，由纳米非晶相和晶体相组成的晶体-非晶复合材料有望同时获得高强度和高塑性。作者设计了一种独特的TiZr基纳米晶-非晶复合材料，该合金由等轴的微米晶组成，且每个晶粒内部由三维双连续晶体-非晶纳米双相结构(3Dbicontinuous crystalline-amorphous nanoarchitectures，3D-BCAN) 组成（图1）。图1.三维双连续晶体-非晶纳米双相结构亚稳的晶体相通过位错滑移和马氏体相变产生塑性变形，而纳米非晶相由于界面约束表现出均匀的塑性变形。如图2a-c原位拉伸测试表明，与单一晶体和非晶相材料相比，3D-BCAN 表现出更加优异的塑性和应变硬化能力，使TiZr 基合金具有超高屈服强度（~1.80 GPa）、抗拉强度（~2.3 GPa）和高塑性（均匀延伸率~7.0%）。结合透射电子显微镜观察（图2d）和有限元模拟（图2e），作者揭示了晶体-非晶纳米双相结构协同变形机制，即非晶相对晶体相施加额外的应变硬化，而晶体相阻止了非晶相中的过早剪切局部化。这些独特的机制赋予TiZr 基合金优异的强度、塑性和应变硬化能力。该研究提供了一种通过三维双连续纳米双相结构设计来制备高强韧晶体-非晶纳米复合材料的新策略。图2.TiZr基纳米晶非晶复合材料拉伸前后分析：（A）TiZr基纳米晶非晶复合材料的拉伸真应力应变曲线；（B-C）原位拉伸前后样品的SEM图片；（D）TEM分析和（E）有限元模拟表明塑性变形首先均匀发生在晶体区域，然后在非晶区域形成大量均匀分布的微小剪切变形区。本研究提出的通过三维双连续纳米双相结构设计来制备高强韧复合材料的新策略，可以广泛应用于钛合金、铝合金、超级钢等金属结构设计制备。文章链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abm2884?af="R作者简介郑士建，河北工业大学教授，博士生导师，2014年入选中科院“百人计划”，2016年入选国家“海外高层次人才引进计划”青年项目。长期致力于金属结构材料与能源材料的原子尺度研究，研究成果揭示了高温、高应力、强辐照等极端使役环境下原子尺度界面结构对高温合金、钛合金、层状金属材料力学性能、抗核辐照损伤性能的影响规律，以及能源电池材料服役过程中原子尺度衰变机制。在Nature Communications、Advanced Materials、Acta Materialia、Scripta Materialia 等高水平期刊发表SCI论文130余篇，引用近5000次，并受邀在（国际塑性、损伤与断裂会议等）高水平国际会议上做邀请报告，主持或参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目11项。获河北省政府特殊津贴（2019）、天津市创新类领军人才（2019）等荣誉，并任中国电子显微镜学会（2016-至今）等学会理事。明开胜，副教授，博士生导师，河北工业大学“元光学者”启航A岗，于2020年1月毕业于北京航空航天大学，并于同年4月加入河北工业大学。于2017.09-2019.09在美国内布拉斯加大学林肯分校公派留学。于2021年任Coatings 期刊客座编辑。研究方向为新型高强韧金属材料（包括高熵合金、晶体-非晶纳米复合材料）设计、强韧化机理以及多尺度形变机制。先后主持国家自然科学基金青年项目、河北省高层次留学人才回国资助项目、河北省自然科学基金青年项目等；以第一作者或者通讯作者在Science Advances、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Scripta Materialia 等高水平期刊发表论文15篇，其中2篇入选ESI高被引论文。获得荣誉包括北京航空航天大学优秀毕业生、北京航空航天大学优秀博士论文、博士研究生国家奖学金、宝钢优秀学生奖、河北工业大学材料科学与工程学院“突出贡献奖”等。

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研究员金海军团队将脱合金与电沉积相结合，在完全互溶且热力学稳定不易分解的Cu-Au合金体系中构筑出类似调幅分解产生的纳米结构，形成仿调幅分解结构合金(spinodoid alloy)或人工调幅合金。这一新型纳米金属材料具有接近理论值的高强度，并表现出粗晶材料的塑性变形特征，为材料的强韧化和功能化设计提供了新思路。相关研究成果以Ultrastrong Spinodoid Alloys Enabled by Electrochemical Dealloying and Refilling为题，发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。科研团队利用脱合金腐蚀将固溶体Cu-Au中Cu(或Ag-Au中的Ag)选择性溶解，促使未溶解Au原子自组装形成纳米多孔Au，再用电化学沉积将Cu回填入纳米孔，形成全致密仿调幅分解结构Cu/Au合金。新材料保留了前驱体合金的粗大晶粒，其晶内由同为面心立方结构、晶体取向一致、且在纳米尺寸互相贯通Cu、Au两相构成；两相间呈三维空间连续、弯曲的半共格界面，相界上规则地排列着高密度的失配位错；两相特征结构尺寸可在纳米至亚微米区间变化。与多层膜等纳米材料在较高临界尺寸以下即发生软化不同，仿调幅分解结构Cu/Au合金的强度随尺寸减小而持续升高，直至接近其理论强度(失配位错弓出临界应力)。随着特征尺寸细化至50纳米以下，其塑性变形从传统复合材料向单相材料变形方式转变。在此临界尺寸以下，新材料在获得纳米材料高强度的同时，具备单相粗晶材料的变形行为特征，展现出综合力学和物理性能优化的广阔空间。本工作将理论计算与实验结合，通过分子动力学模拟，强调了界面曲率也是三维连续相界的重要结构特征，且对纳米材料力学行为产生重要影响。研究对Gyroid双相晶体进行的原子尺度模拟计算，揭示了零平均曲率半共格界面的结构，并从理论上澄清了该类光滑连通三维复杂界面与材料理论强度之间的关系，阐明了仿调幅结构双相纳米材料的强度上限。单相固溶体可通过调幅分解自发转变为晶体结构相同、成分在纳米尺度波动的双连续双相结构。而受制于热力学与动力学条件，该转变的适用合金体系极为有限，其成分调制幅度和界面形态结构难以控制与优化。本研究突破了传统调幅分解的固有限制，拓展了此类材料的合金体系、成分范围和性能空间，促进其研究和应用。此外，新材料的超高密度位错、近极小面三维连续相界、低能(半)共格界面、极低三叉晶界密度等独特结构也为探索纳米金属变形与稳定性中的一些基础科学问题、发展高性能结构功能一体化新材料提供了新机遇。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、沈阳材料科学国家研究中心基础前沿及共性关键技术创新项目的支持。南京理工大学科研人员参与研究。图1.仿调幅分解结构Cu/Au合金的制备及结构特征。(a)脱合金与电沉积结合形成仿调幅分解结构的示意图；(b)EBSD照片显示该材料粗大的晶粒尺寸，(c)TEM照片显示其双连续纳米双相结构，(d)HRTEM照片显示半共格界面和高密度失配位错。图2.仿调幅分解结构Cu/Au合金的分子动力学模拟。(a)典型Gyroid双相结构及其光滑连续半共格界面，(b)界面上大量失配位错组成的三维位错网络。图3.仿调幅分解结构Cu/Au合金屈服强度的特征结构尺寸效应，其强度随结构尺寸减小而持续上升，并逼近理论计算的理论强度。图4.仿调幅分解结构Cu/Au合金屈服强度的晶粒尺寸效应。(a)虽然该材料晶粒尺寸(d)比结构尺寸()高几个数量级，其强度仍表现出显著的晶粒尺寸(d)效应。(b-c)SEM照片显示晶界对剪切带有明显的阻碍作用，与强度的晶粒尺寸效应相一致。

色谱柱是色谱仪器的“心脏”，而填料又是色谱柱的核心。长久以来，我国色谱填料技术远远落后于国际先进水平，在以此为基础的色谱柱市场上基本没有竞争力。但是近年来，随着国外优秀技术人才的归国，以及色谱填料厂商“走出国门”的举措，涌现出一批优秀的企业，在色谱柱市场上占据了一定的份额，而迪马科技就是其中的杰出代表。　　为了探寻中国色谱填料发展的现状及市场，近日，仪器信息网编辑前往位于北京昌平的迪马科技北京研发中心，就迪马科技的转型、设立美国研发基地的原因、液相色谱柱及固相萃取柱的技术发展趋势与市场前景等采访了迪马科技有限公司副总裁李广庆先生。迪马科技有限公司副总裁李广庆先生“危机意识”促使公司转型 “勇于创新”成就公司走出国门“华丽转身”赢得市场认可　　迪马科技成立于1993年，是一家色谱消耗品的贸易代理公司，代理了众多知名品牌相关产品，市场拓展非常成功。然而究竟是什么原因及契机，使迪马科技转型为生产型公司?而美国研发与生产的背景又如何?　　直面贸易代理商“危机” 从贸易型向生产型转变　　“贸易型公司发展到一定程度就会产生‘危机’，并且困惑于长期发展问题。”李广庆先生解释到，“就迪马科技自身的经验，贸易型公司的危机主要来源于以下两个方面：(1)代理品牌所属关系的变化，换句话说就是这些品牌‘被并购’，直接造成市场上供货渠道混乱。(2)代理品牌所属公司的策略调整，也就是品牌的‘出走’。这些变化对迪马科技的运营带来了很大的影响，迪马科技在不断被动地调整和改变。”　　“今天再提及转型，应该说迪马科技的成功之处就在于其在比较早的时候就看到了‘危机’，未雨绸缪。从1998年起迪马科技就开始谋划转型事宜，经过几年的努力，企业模式由贸易型逐渐转向生产型，并在市场上推出了多种自有品牌产品。2007年，我加盟迪马科技，进一步加强了在色谱填料领域研发与生产的能力。如今，我们的产品种类涉及气相色谱柱、液相色谱柱、固相萃取、化学品、试剂以及色谱配件等几大类，‘迪马制造’的产品也已赢得了国内外广大用户和市场的认可。”迪马科技天津工厂　　在美国设立研发中心 追赶世界尖端水平　　“客观上讲，国内的色谱填料技术水平与国外差距很大。我先后在Sigma-Aldrich、Varian公司从事色谱填料、色谱柱等产品的研发与生产，一直想通过我在国外所学的技术和经验为国内的色谱填料技术发展出份力。恰逢2007年，我与迪马科技总裁马国辉先生相识，在经过考察之后，我决定加盟迪马科技。”　　“回国之后，我发现要把国外的先进技术和管理经验带回国内却是件很困难的事情。一方面，国外的技术都有很严格的专利保护 另一方面，国内在设备、管理、环境、信息资源方面都不如国外。但是，如果只在国内现有的条件下创新，我们很难赶上甚至超过国外的水平。怎样才能短时间赶超国外?我们认为最为快捷的方式就是跨出一大步，一下子站到跟国外同个水平的高度上，紧盯国际上最先进的技术、最尖端的产品。于是，在2007年，迪马科技在美国成立了分公司，在研发、设备、管理、环境、信息资源及人才方面基本达到与国外的同等水平。”　　不过，李广庆博士认为，东西差异还是很明显的，这点在色谱填料领域也不例外。例如，国内大多数的分析人员还是经常使用25厘米的分析柱，可是国外为提高分析速度和效率基本上都使用15厘米甚至更短的分析柱。针对东西差异，目前，迪马国外研发中心的主要任务就是直接瞄准国际上最先进的技术和最尖端的产品，然后进行自主研发，形成拥有自主知识产权的产品。随后，在迪马科技北京研发中心按国内现有的条件进行验证和放大，最后根据产品实际情况，能够在国内生产的就在迪马科技天津生产基地生产。暂时不能在国内生产的，也要找出原因，逐步转到国内生产。迪马科技的最终目标是把尽可能多的品种拿回国内生产，并最终实现中国制造，全球销售。如此产品研发流程，最大程度地将东西方的特点结合起来，保证了迪马科技产品既具有“西方”先进技术，又适应“东方”现有的仪器或人员水平。不涉足仪器制造领域 以液相色谱填料及固相萃取为核心　　“迪马科技不会涉足仪器制造领域，将专注于色谱相关的消耗品、化学品的研发与生产。液相色谱填料、固相萃取柱，化学标准品是公司发展之核心。”李广庆先生指出了迪马科技的发展方向。那么对于液相色谱填料及固相萃取柱的技术与市场，迪马科技又有怎样的想法?　　液相色谱填料历经几十年发展 产生2项里程碑技术　　液相色谱填料的发展与液相色谱仪器的发展是相辅相成的，填料技术发展主要经历了以下几个时期：　　(1)上世纪70年代中期 高效液相色谱仪开始出现，此时所使用的填料主要是10微米的无定型硅胶固定相 　　(2)上世纪70年代后期 发展了反相液相色谱柱 　　(3)上世纪80年代 高效液相色谱仪被广泛应用于化合物的分离，填料以5-10微米的球形硅胶(A型硅胶)固定相为主 　　(4)上世纪90年代早期 粒径为5微米的高纯球形硅胶(B型硅胶)问世，并成为色谱填料的标准材料 　　(5)上世纪90年代后期 为满足快速分离的需求， 3微米或3.5微米的高纯球形硅胶柱问世 　　(6)本世纪初随着色谱仪器性能的迅速发展，能同时实现快速、高分离度和高灵敏度分离的粒径小于2微米的填料得到了大力的发展。　　李广庆先生评论说，在液相色谱填料的整个发展历程中，反相液相色谱柱及B型硅胶是2项具有里程碑标志的技术。反相液相色谱柱的问世，使得液相色谱的应用范围极大扩展，直至今天，反相液相色谱柱仍然可以解决绝大多数样品的分析。B型硅胶可谓是色谱填料发展过程中最根本性的突破，它的出现极大地提高了液相色谱的分离能力。早期的A型硅胶是以硅酸盐等矿物质为原料进行制备的，其致命的缺点是金属含量很高 而B型硅胶采用溶胶凝胶的制备方法，其最大的优势恰是金属含量非常低，因此也被称之为高纯硅胶。目前，性能优良的色谱柱均采用B型硅胶为基体。　　小颗粒填料并不是革命性变革 液相色谱填料未来发展呈多样性　　关于液相色谱填料的发展趋势，李广庆先生认为有三个发展方向：　　(1)以快速、高效分离为目标的小粒径填料色谱柱及整体柱。这两种色谱柱可谓是殊途同归，小粒径填料的色谱柱其所使用的压力高，而整体柱所使用的压力低。　　目前，小颗粒填料色谱柱带来的好处是毋庸置疑的。超高效液相色谱比高效液相色谱分析速度更快更灵敏,它通过性能优越的色谱柱，精确梯度控制的超高压液相色谱泵，低扩散、低交叉污染的自动进样系统及高速检测器使超高效液相色谱的峰容量、分析效率、灵敏度较常规高效液相色谱有了很大的提高，为复杂体系的分离分析提供了良好的条件，目前小颗粒填料仍然是业界研究的热点。但是其也面临高压所带来的一系列问题，对于仪器各方面的要求较高。　　而整体柱恰好相反，其所使用的压力较低。整体柱具有双连续结构和双孔分布两大特点。双连续结构由相互交联的基质骨架和彼此连通的穿透孔组成 双孔分布是指整体柱中存在两种不同类型、不同大小的孔，一种是纳米级的穿透孔，另一种是位于骨架表面的纳米级骨架孔。与传统的多孔微球相比，穿透孔的存在使得整体柱材料具有更好的通透性和较小的传质阻力，可以使用较高的流速来缩短分析时间，特别适合高通量分析和快速分离，对于组合化学筛选和液质联用应用非常有利，因此受到业界越来越多的关注。　　(2)应用杂化材料和具有高分离度的填料解决色谱柱分析分离中目前存在的一些问题，比如说一些极性很强的化合物的保留和分离的问题。　　(3)以复杂体系分离为目标的新型色谱填料。针对复杂体系的分离问题，二维液相色谱分离技术应运而生。　　研究表明正交的二维系统在分辨率、峰容量方面比一维都有增加，在生命科学、中药研究领域得到了广泛的应用。但目前液相色谱的二维分析系统还有很多问题仍未解决，比如说二维体系分离中的正交性分离的问题。通过新型色谱填料的研究则有望促进二维色谱的发展。　　固相萃取柱市场潜力巨大 临床、制药应用领域值得期待　　“固相萃取柱简称SPE小柱，虽然相较于色谱柱填料其技术相对简单，但是却是一项很有用的技术。SPE小柱主要有硅胶基质和聚合物基质两种类型。”谈及固相萃取柱时，李广庆先生说，“SPE小柱主要有两方面的应用，其一针对基体复杂的样品，如食品、生物等样品，其干扰物很多，样品如果不进行预处理，不能直接进样进行分析，否则容易造成系统的堵塞甚至损害仪器，在此SPE小柱起到净化的作用 其二针对低含量的样品，如生物或环境样品等，其目标检测物的含量可能比仪器的检测限还低，在此SPE小柱起到浓缩的作用。”　　此外，李广庆先生表示，目前，除标准品外，大多数样品均需通过SPE小柱进行预处理，市场容量很大。在国外SPE小柱的使用范围非常广泛，用量最大的领域是临床和制药。而目前国内的情况却有所不同，SPE小柱使用范围还比较窄，主要应用在食品领域。最典型的例子就是，“三聚氢胺”事件使得SPE小柱需求量大增。以迪马为例，在这次事件中，SPE产品卖到脱销，生产部门24小时生产也不能满足市场需求，其中单个客户最大的一次订货量就近300万元。可见SPE小柱在食品领域的应用得到了用户的认可。不过，根据国外SPE小柱的使用情况，可以预计未来国内临床、制药领域的市场需求将会有巨大的增长空间，这也是未来迪马科技所关注的重要领域。采访现场　　后记　　在采访迪马科技之前，笔者一直在思考究竟是什么造就了今天的迪马科技，使其从一个普通的色谱相关耗材贸易代理商发展到国内领先的色谱填料生产商。而在完稿之时，笔者终于找到了答案。　　(1)不再“被” 掌握主动权　　在笔者看来，仪器贸易代理商面临着一个共同的问题就是“缺乏安全感”，他们时刻都会有诸如失去代理、代理品牌变动等担心，并且不停地在“被”调整、“被”变换。如此被动的局面，迪马科技较早预见，并适时作出改变——以贸易助研发，转型为生产商，由此掌握了主动权，向其今后的成功迈出关键的第一步。　　(2)站在与国际同一高度上进行技术创新　　国内公司都在追求技术创新，而迪马科技的不同在于其强调“站在与国际同一高度上进行技术创新”，拒绝在低水平上的“重复创新”。为此，迪马在美国设立研发基地，在设备、管理、环境、信息资源、人才等方面达到与国际同一水平，并以此为基础再进行创新，最终转化为自有产品。笔者认为，此为迪马科技成功的另一“法宝”。　　(3)“东西”结合 造就领先　　技术与市场是一个产品或公司成功的两个要素，迪马科技高明之处就是将“西方”先进的技术及先进的人才吸收与消化，并结合其本身对“东方”市场的了解，最终使其成为中国市场上色谱填料生产商的领先者。　　采访编辑：杨娟　　附录1：李广庆先生简历　　2007-至今 迪马科技，副总裁、技术总监　　5/2000-2007 美国Varian公司，全球研发部经理　　9/1998-4/2000 美国Sigma-Aldrich公司，首席科学家、项目经理　　3/1997-8/1998 美国Voltaix公司，研究员　　10/1990-2/1997 美国辛辛那提大学化学系，副教授　　9/1986-9/1990 英国剑桥大学曼彻斯特理工学院化学系，有机化学博士　　9/1983-8/1986 中国科学院成都有机化学研究所，助理研究员　　9/1980-8/1983 中国科学院成都有机化学研究所，有机化学硕士　　3/1977-8/1980 吉林大学化学系，有机化学学士　　附录2：迪马科技公司网站　　http://dikma.instrument.com.cn　　http://www.dikma.com.cn/　　http://www.dikmatech.com