副省长顶级学术期刊《科学》上发文，在金属强化领域取得重大突破

身兼辽宁省副省长与中国科学院金属研究所院士双重身份的卢柯，再次在国际顶级学术期刊上发表重要研究成果。2025年11月6日，他与李秀艳研究员领衔的团队在《科学》杂志发表论文，报告了利用负过剩能纳米界面强化镍合金的突破性发现，使材料强度逼近理论极限。这位在科研与行政岗位上均有卓越表现的科学家，用这项成果再次证明了中国在前沿材料科学领域的创新实力。

打破传统金属强化理论的天花板

金属材料的强度提升长期依赖细化晶粒尺寸这一经典策略。自20世纪50年代Hall-Peck关系提出以来，材料科学家通过将晶粒从毫米级细化至微米级、纳米级，使金属强度大幅提升。然而当晶粒尺寸或孪晶间距缩小至10纳米以下时，强化效果不再持续，甚至出现反常软化。这一现象困扰学界数十年，其根源在于纳米尺度下界面的本质不稳定性。

卢柯团队的研究另辟蹊径，将突破口聚焦于界面能量调控。研究团队首先采用密度泛函理论进行系统计算，发现在过饱和镍钼固溶体中，面心立方结构与六方最密堆积结构之间形成的共格界面具有负过剩能特性。这意味着界面的存在反而降低了体系自由能，其热力学稳定性甚至超越传统认为最稳定的孪晶界。这一反直觉发现为材料强化提供了全新思路。

论文第一作者李炯贤博士通过精密的脉冲电沉积技术，成功将理论预测转化为实际材料。制备过程中，镍钼合金首先以非晶相形态沉积，随后通过精确控制的退火工艺诱导结晶。在这一相变过程中，材料内部自发形成了高密度堆垛层错和超细孪晶界，平均间距仅约1纳米。这种超高密度界面结构并非源于传统的塑性变形或杂质偏析，而是由负过剩能驱动的热力学自发过程。

实验测试展现了这类界面的卓越性能。当界面密度提升至平均间距约1纳米时，镍钼合金的杨氏模量达到254.5吉帕，显著超越同成分金属玻璃和金属间化合物。更重要的是，这些负过剩能界面在承受外力时表现出极强的稳定性，能有效钉扎位错运动而自身不发生湮灭或迁移，从而实现持续强化效果。

《科学》杂志编辑在评审意见中指出，这项研究针对纳米晶与纳米孪晶金属强度受限于界面不稳定性这一核心问题，提出了利用负过剩能界面强化的创新策略。研究不仅在实验上实现了超高密度界面结构，更建立了从理论预测到材料制备的完整技术路线，展现了计算材料学在金属材料设计中的应用潜力。

从化学合金化到结构能工程的范式转变

这项研究的意义远超单一材料体系的性能突破，它提出了"结构能工程"这一全新材料设计理念。过去百年间，金属强化主要依赖化学合金化——通过添加合金元素改变固溶强化、析出强化、晶界强化等机制。这些策略本质上都是通过化学成分调控来优化材料性能，其物理本质是增加位错运动的阻力。

卢柯团队提出的负过剩能界面强化机制则开辟了新维度。通过精确控制界面类型、密度和分布，可在不显著改变化学成分的前提下大幅提升材料性能。密度泛函理论计算揭示，在过饱和镍钼固溶体中，钼原子的固溶使得面心立方与六方最密堆积结构之间的能量差异显著降低。ABCABC型与ABAB型堆垛序列之间转换所需的能量极低，两相界面处原子排列高度协调，界面能甚至低于完美晶体内部的参考态。

这种负过剩能现象在纯金属或稀固溶体中难以实现，恰恰依赖于特定合金成分与界面结构的精确匹配。研究团队通过系统的理论计算筛选出镍钼体系，并通过实验验证了负过剩能界面的存在及其强化效果。这一从理论到实验的完整研究范式，为在更多材料体系中复制这种强化机制提供了方法论指导。

界面能为负这一概念挑战了传统缺陷理论。长期以来，晶界、相界面等被视为提高体系自由能的缺陷结构，材料热处理过程中往往倾向于消除或粗化这些界面以降低总能量。此次研究证明，在特定热力学条件下，界面的存在反而降低体系能量，因此这类界面在热力学上是稳定的，不会像传统高能界面那样在退火或变形过程中自发消失。

技术应用前景广阔。航空航天、能源装备、精密仪器等领域对高强度金属材料需求迫切。传统高强度合金往往面临韧性不足、加工困难、成本高昂等问题。负过剩能界面强化机制有望在保持材料加工性能的同时大幅提升强度。通过调整沉积工艺参数、退火制度和合金成分配比，这一强化策略可能推广至铜基、钴基等其他面心立方金属体系，为高性能结构材料开发提供新途径。

科研与行政双肩挑的卓越践行者

卢柯的学术生涯堪称传奇。这位1965年出生的科学家1995年开始担任博士生导师，1997年任快速凝固非平衡合金国家重点实验室主任，2001年出任中国科学院金属研究所所长、沈阳材料科学国家实验室主任。2003年，年仅38岁的他当选中国科学院院士，创下最年轻院士纪录并保持至今。随后他相继当选德国国家科学院院士和美国国家工程院外籍院士，2018年开始担任辽宁省副省长。

卢柯院士长期从事金属纳米材料研究，推动纳米孪晶结构、梯度纳米结构等前沿领域突破。

即便行政职务繁重，卢柯始终坚守在科研一线。他长期专注于金属纳米材料研究，在纳米孪晶结构、梯度纳米结构、室温超塑纳米铜等前沿领域取得系列突破性成果。迄今他已在《科学》发表14篇论文，在《自然》及其子刊等顶级期刊累计发表400余篇学术论文，授权发明专利40余项。这些成果不仅推动了基础科学认知的边界拓展，也为材料工业技术进步提供了理论支撑。

合作者李秀艳研究员在金属材料界面结构调控方面具有深厚积累。作为本次研究的通讯作者之一，她与卢柯院士紧密合作，结合理论计算与实验验证，系统阐明了负过剩能界面的形成条件、结构特征与强化机理。团队将第一性原理计算、先进制备工艺与精密表征技术有机结合，展现了现代材料研究的典型范式。这种理论与实验紧密互动的研究模式，大幅缩短了从科学发现到技术应用的转化周期。

团队的下一步研究方向已经明确：探索负过剩能界面在其他合金体系中的普适性，优化界面密度与分布的协同调控策略，深入研究界面在复杂应力状态和高温环境下的长期稳定性机制。同时，如何将实验室成果转化为工业化生产技术，实现负过剩能界面的可控批量制备，也是亟待攻克的关键问题。这些研究不仅具有重要学术价值，更将为辽宁省乃至全国的材料产业升级提供技术储备。

这项成果是中国科学家在金属材料基础研究领域的又一重要里程碑。从Hall-Petch关系到纳米晶软化，从孪晶强化到界面工程，材料科学家不断推进对金属强度机制的认识边界。卢柯团队发现的负过剩能界面不仅创造了镍合金强度新纪录，更重要的是提出了"界面稳定性可调控"的材料设计新理念，为突破金属强度理论极限开辟了可行路径。这位科研与行政双肩挑的科学家，用实际行动诠释了基础研究对区域创新发展的重要支撑作用。