電子顯微鏡下的神奇世界

徐賽

近10多年，先進材料研究成果密集涌現(xiàn)，專家甚至斷言，21世紀將是材料“革命”的時代。在21世紀最重要的三大科技領(lǐng)域之一的材料學(xué)，核心問題是結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系問題，即材料的性能是如何通過結(jié)構(gòu)來影響和調(diào)控的。

而要實現(xiàn)，必須倚仗電子顯微鏡，研究材料的微觀結(jié)構(gòu)及其缺陷，從而建立材料結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在關(guān)系?！艾F(xiàn)在，我和我的同事、學(xué)生每天都會在材料中看到大量的整齊排列的原子，我們都認為這是一個非常令人興奮的事業(yè)?！敝袊茖W(xué)院金屬研究所研究員、博士生導(dǎo)師馬秀良說，當(dāng)初開啟這項事業(yè)源于1篇碩士論文。

時間再倒回上世紀的1959年，就讀于英國劍橋大學(xué)Cavendish實驗室的R.C.Hudd完成了一篇有關(guān)鋁合金中晶體相的碩士論文。在文章中，作者闡述了一系列重大發(fā)現(xiàn)，但還有一些新穎的實驗現(xiàn)象在當(dāng)時卻無法解釋，于是便打了問號放在了那里。整整30年后，一個血氣方剛的年輕人立志要解開那些問號之謎，他就是馬秀良。

師恩難忘

1988年，馬秀良畢業(yè)于大連理工大學(xué)材料工程系。次年，他師從著名科學(xué)家、教育家郭可信院士，在中國科學(xué)院北京電子顯微鏡實驗室及大連理工大學(xué)從事Al基合金中十次對稱準晶及相關(guān)晶體相的電子顯微學(xué)研究。

1989～1994年間，他發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的準晶體（Al-Co合金系）?！斑@是可形成穩(wěn)定十次對稱準晶的唯一的二元合金體系”。又是20多年過去，如今回憶起當(dāng)年的發(fā)現(xiàn)，馬秀良仍飽含興奮之情。后來，他在此基礎(chǔ)上制備出毫米量級十次準晶單晶體并與中國科學(xué)院物理所的科學(xué)家一道測得其有別于傳統(tǒng)晶體的獨特物理性能數(shù)據(jù)。

在Al合金中，馬秀良先后花了10余年的時間一共發(fā)現(xiàn)了13種與準晶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的新物相，并將之歸納為單斜和正交兩大點陣群族；他建立系列新物相的結(jié)構(gòu)模型，提出了“準晶相是上述兩大晶體群族中共有的極限成員（單胞無窮大）”重要觀點。

這些重大研究發(fā)現(xiàn)，一方面極大地豐富了早期人們通過X射線衍射方法建立起來的合金平衡相圖，另一方面也為一些Al合金的成分設(shè)計以及合金使役行為的研究提供了重要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)信息。

在那之后，馬秀良的研究成果受到了國際同行的廣泛關(guān)注，他也因此獲得了美國ISI（Institute for Scientific Information）經(jīng)典引文獎和國家教育部科技進步獎一等獎。

對于這一切，馬秀良很感謝郭可信院士（1923～2006）。他總是很尊敬地稱呼老師為“郭先生”，的確，郭先生是一位值得世人敬佩的前輩。上世紀50年代，郭先生在祖國的召喚下毅然回國投身祖國的建設(shè)，到了80、90年代，我國的準晶研究在他的帶領(lǐng)下已處于國際領(lǐng)先地位。曾留學(xué)海外的郭先生親身體驗到西方科技先進的一面，“像我這樣在他那里拿了博士學(xué)位的年輕人，他還是希望能有機會走出去看看，學(xué)習(xí)西方一些先進的知識”，馬秀良訴說著當(dāng)年的點滴。

對家的回報

在攻讀博士學(xué)位期間，馬秀良在郭先生的指導(dǎo)下曾在美國的《冶金會刊》以及英國的《哲學(xué)雜志》上連續(xù)發(fā)表5篇學(xué)術(shù)論文，這些工作在當(dāng)時準晶研究領(lǐng)域里具有一定的國際影響，以至于在他博士剛畢業(yè)時，法國國家科學(xué)研究中心的一個冶金學(xué)實驗室就主動邀請馬秀良去那里做博士后，同時，德國多特蒙德大學(xué)的Uwe K?ster教授也向他伸出橄欖枝。面對兩份沉甸甸的邀請，馬秀良最終選擇了德國。

“原因有兩個，一是憑借那幾篇學(xué)術(shù)論文我順利獲得了在國際上頗具影響力的德國‘洪堡基金的資助；二是我是從事材料電子顯微學(xué)研究的，德國人在電子光學(xué)方面對世界的貢獻是巨大的，我也希望能近距離地感受一下?！笔獠恢干潆娮语@微鏡就是上世紀30年代德國人Ernst Ruska發(fā)明的，后來于1986年還獲得了諾貝爾物理獎。于是，1995年馬秀良西行遠赴德國深造。

剛到德國的馬秀良頓感大開眼界。先進的實驗條件，使他興奮得好似如魚得水；還有德國人做事的認真和德國教授治學(xué)的嚴謹至今讓馬秀良難忘?！拔彝蝗幻靼坠壬欠N嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度與他早期留學(xué)歐洲的經(jīng)歷不無關(guān)系”，這也使馬秀良倍加珍惜這份難得的學(xué)習(xí)機會。

在德國期間，馬秀良主要還是從事金屬結(jié)構(gòu)材料的電子顯微學(xué)研究。他的合作教授K?ster曾畢業(yè)于德國的哥廷根大學(xué)，在冶金學(xué)和材料熱力學(xué)方面都具有很高的學(xué)術(shù)造詣。他們便結(jié)合各自的專長，合作撰寫了幾篇學(xué)術(shù)論文并發(fā)表在國際期刊上。

1997年，馬秀良轉(zhuǎn)赴位于名古屋的日本精細陶瓷研究中心，后來又到了東京大學(xué)，期間的合作對象一直是日本著名的電子顯微學(xué)家Yuichi Ikuhara教授。在日本，他的研究內(nèi)容又是另一番景象——從在德國時的金屬結(jié)構(gòu)材料轉(zhuǎn)為先進功能材料，“研究內(nèi)容的轉(zhuǎn)變無疑擴展了我的研究領(lǐng)域?！苯Y(jié)構(gòu)材料是指那些主要利用其力學(xué)性能的材料，如建筑、橋梁、汽車等方面用的鋼鐵材料、鋁合金材料、鈦合金材料；而功能材料是指那些主要利用其物理或化學(xué)性能的材料，如電腦及半導(dǎo)體領(lǐng)域中用的芯片等，這二者有著本質(zhì)的區(qū)別。就這樣，馬秀良在不同的材料間探索著未知的奧秘。

無論在德國還是在日本，馬秀良都收獲頗多。他最大且最直觀的感受就是，做科研，尤其是基礎(chǔ)研究，應(yīng)注重國際交流?！霸谶@樣的環(huán)境里我也有機會聆聽各種學(xué)術(shù)講座，包括一些曾經(jīng)獲得諾貝爾獎的國際學(xué)術(shù)大師的講座?！睗撘颇g，馬秀良不僅開闊了視野，也提高了自身的學(xué)術(shù)品位。

“總之，在國外期間，我在享用高端實驗設(shè)施的同時，更重要的是在治學(xué)理念上得以熏陶”，這些都無疑對他后來回國在國內(nèi)的發(fā)展具有重要影響。

時光轉(zhuǎn)瞬即逝，2001年4月，馬秀良在香港完成了為期1年的訪問學(xué)者計劃后攜一家三人回到了沈陽。

那時總有人問他，在國外做得好好的，為什么突然選擇回國？馬秀良也總回答說，“這個道理很簡單，回國就是回家，而回家是不需要什么理由的。我們每年春節(jié)有上億人不管路途多么遙遠不管旅途多么艱難，都要往家里趕，為什么？那是對家的眷戀、對家的愛，也是對家人的義務(wù)。同樣，回國發(fā)展為國效力，為祖國的科學(xué)事業(yè)貢獻一份力量，那就是對家的回報?！?/p>

奧氏體不銹鋼點蝕形核機制的新認識

中國科學(xué)院金屬研究所是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域具有重要國際影響的研究機構(gòu)，是我國高性能材料研究與發(fā)展的重要基地。2001年馬秀良到了金屬所后經(jīng)過多年的探索利用透射電子顯微鏡對不銹鋼點蝕形核機制有了新的認識。

眾所周知，不銹鋼被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域以及人們的日常生活，具有高的抗均勻腐蝕能力，但其局部點狀腐蝕（即“點蝕”）卻難以避免。在石油、化工、核電等領(lǐng)域，點蝕容易造成管壁穿孔從而帶來巨大災(zāi)難。雖然業(yè)內(nèi)已普遍認為，點蝕的發(fā)生起因于不銹鋼中硫化錳夾雜的局域溶解，但由于缺乏微小尺度的結(jié)構(gòu)信息，點蝕的形核位置一直被描述為“隨機和不可預(yù)測的”，所以，這也制約著人們對不銹鋼點蝕機理的認識以及抗點蝕措施的改進。

見此現(xiàn)狀的馬秀良便帶領(lǐng)團隊開始用透射電子顯微技術(shù)對不銹鋼進行觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在硫化錳夾雜中彌散分布著的一種氧化物納米八面體，他稱它們?yōu)槲⑿〉摹澳[瘤”。經(jīng)過實驗研究，他觀察到這些氧化物納米顆粒作為電化學(xué)微電偶電池的陰極，在一定的介質(zhì)條件下會加速硫化錳的陽極溶解。納米“腫瘤”的發(fā)現(xiàn)不僅為揭示不銹鋼點蝕的起始位置提供了直接證據(jù)，還使人們對不銹鋼點蝕機理的認識從先前的微米尺度提升至納米甚至原子尺度，無論對基礎(chǔ)科學(xué)研究還是工程合金的實際應(yīng)用都具有重要意義。

最近，在原子尺度認識不銹鋼點蝕機理的基礎(chǔ)上，馬秀良團隊在如何提高奧氏體不銹鋼的抗點蝕能力方面提出了一種新思路。他們采用含銅離子的特定溶液對不銹鋼材料進行一定時間的化學(xué)處理，使硫化錳表面發(fā)生陽離子交換反應(yīng)，從而形成一層電極電位明顯高于硫化錳的Cu2-xS結(jié)構(gòu)。這樣做，可以使點蝕形核率降低1～2個數(shù)量級，而且不影響不銹鋼表面原有的鈍化膜結(jié)構(gòu)。

他說，這種在原子尺度結(jié)構(gòu)信息基礎(chǔ)上提出的“提高不銹鋼抗點蝕能力”的新方法有望以簡捷、高效、低成本的形式在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。研究已得到國內(nèi)外本領(lǐng)域科學(xué)家的認可，相關(guān)研究結(jié)果也相繼發(fā)表在具有重要影響力的國際學(xué)術(shù)刊物上。2010年7月，《科學(xué)時報》和《光明日報》等多家媒體分別對這項工作進行了報道。

鐵電材料領(lǐng)域的新突破

在對鐵電材料的研究方面，馬秀良也做出了重要貢獻。鐵電材料與鐵磁材料都具有極強的類比性，如類似的電（磁）滯回線、極化序參量以及疇結(jié)構(gòu)組態(tài)等，但相比于鐵磁領(lǐng)域的研究和應(yīng)用比較成熟的發(fā)展，鐵電材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究明顯滯后。

自1986年起，物理學(xué)家就相繼預(yù)測在一定的條件下鐵電材料中可能出現(xiàn)通量全閉合結(jié)構(gòu)，且理論上該結(jié)構(gòu)可帶來超高密度的信息存儲功能。盡管通量全閉合結(jié)構(gòu)在鐵磁材料中已獲得普遍認識，但經(jīng)過近30年的探索，在鐵電材料中卻一直沒有得到實驗證實。

其主要困難還在于鐵電材料中通量全閉合結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致巨大的晶格應(yīng)變。所以，如何突破鐵電極化與晶格應(yīng)變的相互制約，實現(xiàn)極化反轉(zhuǎn)與晶格應(yīng)變的有效調(diào)控，獲得有望用于超高密度信息存儲的結(jié)構(gòu)單元，是當(dāng)今鐵電材料領(lǐng)域面臨的一個重大基礎(chǔ)性科學(xué)難題。

這次，馬秀良同樣選擇了迎難而上。他帶領(lǐng)團隊通過逆向思維設(shè)計，實施應(yīng)變調(diào)控在鈧酸鹽襯底上制備出一系列超薄的PbTiO3鐵電薄膜，利用具有原子尺度分辨能力的像差校正電子顯微術(shù)，不僅發(fā)現(xiàn)通量全閉合疇結(jié)構(gòu)及其新奇的原子構(gòu)型圖譜，而且觀察到由順時針和逆時針閉合結(jié)構(gòu)交替排列所構(gòu)成的大尺度周期性陣列。

在此基礎(chǔ)上，他們揭示了周期性閉合結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在一定的薄膜厚度范圍內(nèi)由通量閉合結(jié)構(gòu)構(gòu)成的周期性陣列的周期大小與薄膜厚度之間成比值約為的線性關(guān)系。另外，他們還成功推導(dǎo)出閉合結(jié)構(gòu)核心處超大的應(yīng)變梯度以及整個閉合結(jié)構(gòu)中巨大的長程彈性應(yīng)變梯度。

2015年4月16日，美國《Science》雜志率先通過“Science Express”在線發(fā)表了該項研究成果，并在2015年的5月1日正式刊登發(fā)表。另外，值得一提的是，2015年正值中國科學(xué)院金屬研究所固體原子像實驗室自1985年由郭先生和葉恒強院士等人建立30周年，對于這一突破性的進展，在馬秀良看來“應(yīng)該說是給實驗室30歲生日的最好禮物?！?/p>

鐵電材料中通量全閉合結(jié)構(gòu)以及核心處巨大彎電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，無外乎是將鐵電薄膜器件的設(shè)計和研發(fā)推向一個新的高度，為探索基于鐵電材料的高密度信息存儲器提供了新途徑。同時，研究證實了巨大的彈性應(yīng)變梯度可以通過多層膜的形式保存下來，實現(xiàn)相關(guān)物理性能的連續(xù)調(diào)控，為新型梯度功能材料的設(shè)計提供了新思路。

團隊“大家庭”

如今的馬秀良，曾獲國家教育部科技進步獎一等獎、2000年入選中國科學(xué)院“百人計劃”、2003年獲得國家杰出青年科學(xué)基金、2009年入選新世紀百千萬人才國家級人選。面對豐碩的成果，馬秀良清楚地看到，一個人的力量總是有限的，離不開團隊的合作與支持。他坦言，“現(xiàn)在每每提到我的研究團隊，我總是感到欣慰”。

經(jīng)過14年的發(fā)展，目前研究團隊成員將近40人，其中固定在編人員10人（其中7人已具有副高級以上專業(yè)技術(shù)職稱），其他都為博士后及博士生和碩士生。這在中科院所屬的研究所基礎(chǔ)研究領(lǐng)域里無疑是一支超大規(guī)模的團隊?！罢驹诨A(chǔ)研究的國際前沿，利用電子顯微技術(shù)解決一些材料領(lǐng)域中的重大基礎(chǔ)性科學(xué)難題”，是團隊一直以來發(fā)展和奮斗的目標。

2006年以來，馬秀良一直擔(dān)任固體原子像研究部主任，同時他也是國際和國內(nèi)多家學(xué)術(shù)期刊的編委。作為團隊的核心，馬秀良平時很少對團隊成員做非常具體的要求，而是盡可能給大家營造一種寬松的學(xué)術(shù)氛圍，但在這種環(huán)境里每個人都有一種積極向上的力量?！拔乙苑蠂H慣例的學(xué)術(shù)理念，把大家推上一個快車道，在這個快車道上有那么幾個領(lǐng)頭羊，大家誰也不甘落后、誰也不甘掉隊。大家不以發(fā)表論文的數(shù)量多少論英雄，而以解決重大基礎(chǔ)性科學(xué)問題為驅(qū)動?！闭沁@樣的良性循環(huán)，使團隊始終處在一種螺旋式上升的發(fā)展趨勢中。

在這里，經(jīng)常會出現(xiàn)這幕情景，博士生到畢業(yè)時間了而且也達到畢業(yè)要求了還遲遲不肯答辯，即使答辯畢業(yè)了也不愿意離開，很多學(xué)生在博士畢業(yè)后把能夠留在研究團隊繼續(xù)工作作為自己的追求。事實上，這支研究團隊早已像一個大家庭，到處充滿了溫馨的家的氛圍。這一切也都源于馬秀良對學(xué)生們熱切的關(guān)心與默默的幫助。

眾所周知，我國在人才發(fā)展戰(zhàn)略方面，相關(guān)部門近年來相繼制定了一系列人才計劃，“我也是人才計劃的受益者”，馬秀良說，“我非常欣慰地看到，一大批優(yōu)秀的年輕人相繼脫穎而出”，他相信，在接下來的10～20年，他們將是中國新材料研究的中堅力量。所以，馬秀良也在不遺余力地為祖國不斷培養(yǎng)未來的人才力量。

對于學(xué)生的發(fā)展，馬秀良也傳承了郭先生的理念。近些年，他連續(xù)不斷地把年輕人送出國門，出國做短期訪問或參加國際學(xué)術(shù)會議。2011年暑期，他曾從十多個國家和地區(qū)邀請42位材料電子顯微學(xué)領(lǐng)域的知名學(xué)者到金屬研究所做了為期一周的專題學(xué)術(shù)講座，國內(nèi)外60余個研究機構(gòu)的350余人聆聽了這些講座，“這極大地開闊了團隊成員的視野，同時也提高了我們自己的國際學(xué)術(shù)影響力?！?/p>

如今，研究部運轉(zhuǎn)良好，各項科學(xué)研究也在緊張有序地進行之中，但對于馬秀良來說，如何合理安排時間成了擺在他面前最大的難題?！翱茖W(xué)研究是我的主要職責(zé)，任何時候都要以科研工作為第一要務(wù)，跟蹤甚至引領(lǐng)本領(lǐng)域的國際前沿，不能有一點懈怠。”但實驗室的日常工作，比如學(xué)科布局、科研項目的實施、實驗室的建設(shè)及優(yōu)秀人才的引進也會占用他一定的科研時間。逐漸，馬秀良也有了清晰地認識，“如何具體安排科研工作的時間，會隨著研究團隊發(fā)展的不同階段有所不同?！?/p>

“基礎(chǔ)研究不是一蹴而就的，需要長期的學(xué)術(shù)積累，不可以急功近利”，在馬秀良看來，科學(xué)研究的原動力是對探索未知的熱情，首先要有濃厚的興趣。“科學(xué)家是一個國家的戰(zhàn)略高地，同時我也認為科學(xué)家是一個非常浪漫的職業(yè)：做著國家和自己都感興趣的事情”。話語間，透露著馬秀良對他科研事業(yè)的熱愛，為此，他也愿意付出更多的艱辛與時間，繼續(xù)在電子顯微鏡下觀察那個神奇的世界。