百余次失敗終實(shí)現(xiàn)零的突破！93年博后回國(guó)入職西湖大學(xué)
文 | 《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者 張晴丹
已經(jīng)不知道失敗多少次了！楊堯再次把制造出的高熵合金納米顆粒放到3毫米寬、6納米薄的基底上，他的目的是采集納米粒子中每個(gè)原子的三維影像。每一次旋轉(zhuǎn)樣品時(shí)都“步步驚心”——這些顆粒一旦損壞分毫，就失去了意義。
就這樣小心翼翼、日復(fù)一日地測(cè)試參數(shù)、拍攝，用了3年才采集完所有數(shù)據(jù)。盡管成功率很低，但癡迷于探索納米世界的楊堯一次也沒有想過放棄。
讀博時(shí)已手握兩篇Nature的他，近日再度以第一作者身份在Nature發(fā)表論文，讓跨越6年的研究終于畫上完美的句號(hào)。這一次，他與合作者使用先進(jìn)的成像技術(shù)，首次繪制出中熵合金、高熵合金納米顆粒的三維原子位置，并解析結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，為創(chuàng)造新型合金打開了新世界的大門。
在外“打磨”科研能力7年后，他選擇回國(guó)效力，全職加入西湖大學(xué)工學(xué)院，成為一名獨(dú)立PI，帶著朝氣蓬勃的年輕隊(duì)伍繼續(xù)馳騁在科學(xué)的浩瀚中。
楊堯
零的突破：更好地指導(dǎo)下一代合金
人類文明的進(jìn)步與新型材料的不斷發(fā)明關(guān)系緊密，而合金在我們的生活中幾乎無(wú)處不在。
合金是由兩種或多種金屬元素結(jié)合而成的材料。以鋼為例，它是現(xiàn)代生活的基礎(chǔ)之一，是建筑物、交通工具、電子產(chǎn)品、家用電器等必不可少的組成部分。
然而合金并不完美，它存在著和大多數(shù)材料相同的限制：堅(jiān)硬的合金在應(yīng)力作用下往往容易變脆并斷裂，而柔韌的合金在應(yīng)力作用下則容易凹陷。也就是說(shuō)，想制造出硬度高又韌性好的合金幾乎是不可能的。
不過，科學(xué)的本質(zhì)就是挑戰(zhàn)不可能。大約20年前，合金材料界殺出一匹“黑馬”——中熵合金和高熵合金，打破了這個(gè)僵局。這種高性能材料同時(shí)結(jié)合了硬度和柔韌度，讓金屬材料擁有了更多不可思議的可能性，在航天、國(guó)防、核能等領(lǐng)域都有很大的發(fā)展?jié)摿Γ虼艘脖环Q為“下一代合金”。
傳統(tǒng)的合金主要是一種“主角”金屬與較低比例的其他金屬混合，例如不銹鋼，鐵的含量可以達(dá)到四分之三或更多。而中熵合金以大致相等的數(shù)量結(jié)合三種或四種金屬；高熵合金以同樣的方式結(jié)合五種或更多金屬。
正因?yàn)檫@種“一鍋大亂燉”，中熵合金和高熵合金里面的化學(xué)成分非常多，而且元素分布非常無(wú)序，內(nèi)部原子的位置極度混亂，使得這種材料的一些性質(zhì)不好控制。這個(gè)問題困擾科學(xué)界久矣。
為什么要關(guān)注每個(gè)原子的位置？因?yàn)楦淖兤渲性拥奈恢茫涂赡芨淖冊(cè)摬牧系膶傩浴！拔覀兙拖朊逯徐睾辖鸷透哽睾辖饍?nèi)部的元素分布，并解析結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。”楊堯在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示。
高熵合金納米顆粒
他們使用一系列金屬制造納米顆粒，納米顆粒非常小，可以用十億分之一米來(lái)測(cè)量。其中，6個(gè)中熵合金納米顆粒結(jié)合了鎳、鈀和鉑；4個(gè)高熵合金納米顆粒結(jié)合了鈷、鎳、釕、銠、鈀、銀、銥和鉑。
合成這類合金何其困難。研究人員在超過2000華氏度的溫度下將金屬液化，時(shí)間為百分之五秒，然后在不到十分之一秒的時(shí)間內(nèi)將其冷卻。這項(xiàng)技術(shù)由美國(guó)馬里蘭大學(xué)教授胡良兵團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)完成。
楊堯再通過基于原子分辨率的電子三維重構(gòu)法，探究納米顆粒里所有原子的位置以及化學(xué)元素的分布。“由于其體系比較復(fù)雜，就使實(shí)驗(yàn)操作起來(lái)非常麻煩。”
要看清楚原子的三維結(jié)構(gòu)，對(duì)分辨率要求極高。楊堯采用了美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校物理系教授繆建偉開發(fā)的一種名為原子電子斷層成像技術(shù)（AET），先是用透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)納米顆粒進(jìn)行多角度拍攝，再通過計(jì)算機(jī)重構(gòu)三維原子結(jié)構(gòu)。
三維原子成像原理
在前期采集圖像時(shí)，楊堯吃盡了苦頭。在采集的過程中，有些納米顆粒很容易損壞，所以需要格外小心。為了保證每一張圖像的質(zhì)量，楊堯和合作者前前后后花了許多工夫調(diào)試參數(shù)。他們從2018年開始采集數(shù)據(jù)，失敗了上百次，用了3年時(shí)間才完成。
結(jié)合數(shù)據(jù)處理和三維重構(gòu)算法，研究團(tuán)隊(duì)首次繪制了中高熵合金納米顆粒的三維原子結(jié)構(gòu)，并首次直接觀察到其三維原子序。
在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，他們聚焦到一種被稱為孿晶界的結(jié)構(gòu)缺陷，可能是中高熵合金能兼具硬度和柔韌的關(guān)鍵因素。“我們首次在實(shí)驗(yàn)中觀察到孿晶界的形成與元素分布有關(guān)系。”楊堯介紹。
這項(xiàng)研究為中高熵合金的未來(lái)發(fā)展提供了新視角。從此，科研人員跳出傳統(tǒng)合金材料的桎梏，可以在金屬材料創(chuàng)制上有更多的“天馬行空”。
做實(shí)驗(yàn)成了最大愛好
從小自律的楊堯，是父母和親戚眼中非常省心的孩子。當(dāng)年高考他以優(yōu)異的成績(jī)躋身清華大學(xué)，成為材料系的一員。彼時(shí)，他對(duì)納米研究萌生濃厚的興趣，“微觀世界太吸引我了！你可以通過操縱原子的位置，從而改變材料定制的方式，這很有意思”。
一次機(jī)緣巧合，楊堯發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常有意思的課題組——繆建偉實(shí)驗(yàn)室。繆建偉在三維衍射顯微領(lǐng)域做了許多開創(chuàng)性的工作，網(wǎng)上對(duì)于這位“大牛”的履歷介紹更是令楊堯心馳神往，尤其是這個(gè)實(shí)驗(yàn)室能夠做原子級(jí)別的三維重構(gòu)，讓他覺得非常酷炫。
2015年本科畢業(yè)后，楊堯申請(qǐng)到加州大學(xué)洛杉磯分校讀博，終于得償所愿加入繆建偉實(shí)驗(yàn)室。這是一個(gè)疾馳前進(jìn)、碩果累累的科研團(tuán)隊(duì)。初來(lái)乍到的楊堯感受到了自身的差距。
看著自己稍顯單薄的知識(shí)“家底”，楊堯決定瘋狂“惡補(bǔ)”。“以前學(xué)的東西簡(jiǎn)直九牛一毛，基本上算是重新開始。我需要快速掌握統(tǒng)計(jì)學(xué)、重構(gòu)算法、數(shù)據(jù)分析等知識(shí)。”于是，讀博初期，圖書館、自習(xí)室總能覓得他翻閱書本、專心致志的身影。
積累了很扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，楊堯開始腳踏實(shí)地做科研。站在這樣一艘實(shí)力雄厚的大船上，他的實(shí)驗(yàn)操作能力和實(shí)驗(yàn)技巧進(jìn)步飛速。做實(shí)驗(yàn)成了他最大愛好，讀博時(shí)的大部分時(shí)間都泡在實(shí)驗(yàn)室里。后來(lái)在繆建偉實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)做博士后工作時(shí)，他對(duì)實(shí)驗(yàn)的癡迷更甚。
那時(shí)候，他主要做電鏡的實(shí)驗(yàn)，與合作伙伴要在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室完成大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集工作。勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室位于伯克利的一座山上。與楊堯讀博時(shí)所在的洛杉磯不同，這里人跡罕至，山上也比較荒涼，實(shí)驗(yàn)室非常偏僻，而每天的工作只有做實(shí)驗(yàn)。
“那是我最喜歡的一段靜謐時(shí)光。尤其是晚上做完實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，在山上望著山下建筑物里的燈光，很愜意。每天不用想別的，只專注于做科研。當(dāng)腦子里雜七雜八的事情都被拋出去，全身心投入到實(shí)驗(yàn)上時(shí)，我感受到了前所未有的放松。哪怕每天從早上八點(diǎn)忙到晚上十一二點(diǎn)，也還是干勁十足，覺得一切都很充實(shí)且有意義。”楊堯說(shuō)。
楊堯在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室拍的山下風(fēng)景
現(xiàn)在，授課、搭建實(shí)驗(yàn)室、申請(qǐng)課題、指導(dǎo)學(xué)生……楊堯每天忙得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)，他時(shí)常憶起那段在山上心無(wú)旁騖、全身心投入科研的歲月，心中有些許悵然。
嚴(yán)師出高徒，追求科研品味
在楊堯的學(xué)術(shù)生涯里，繆建偉對(duì)他的影響最大。
“科研對(duì)繆老師來(lái)說(shuō)是最重要的一部分，他對(duì)待科研非常嚴(yán)謹(jǐn)，或者說(shuō)一絲不茍。他十分追求‘科研品味’，要求你做的研究有意義，每一個(gè)東西都能有跡可循，無(wú)論多細(xì)枝末節(jié)都得弄清楚講明白。可以說(shuō)我很多的科研習(xí)慣都源自于繆老師。”楊堯表示。
究竟有多嚴(yán)謹(jǐn)呢？在繆建偉組里的每一個(gè)項(xiàng)目都會(huì)經(jīng)歷“Double check”。
“我在組里做的第二個(gè)項(xiàng)目是跟另外一個(gè)博士后同時(shí)進(jìn)行。同樣的項(xiàng)目，倆人完全分開做去解決同一個(gè)問題。我們分別用了兩套完全不一樣的算法，最終要得到同一個(gè)值。”楊堯介紹，“Double check”訓(xùn)練非常磨煉人，他們做了幾個(gè)月，就為了讓兩套算法能得到一個(gè)值。起初倆人算出來(lái)的東西無(wú)論如何都不一樣，他們又無(wú)數(shù)次地改變邏輯、改寫代碼、調(diào)整結(jié)構(gòu)，才最終成功。
楊堯
從同一個(gè)起點(diǎn)出發(fā)，分別走兩條不同的路線，最后到達(dá)同一個(gè)終點(diǎn)。能經(jīng)受得住“Double check”考驗(yàn)的科研成果，其含金量可想而知，也必定能經(jīng)得起時(shí)間的檢驗(yàn)。“哪怕經(jīng)過了百年之后，它也同樣還是一個(gè)好作品。”這就是繆建偉所要達(dá)到的效果。
繆建偉常對(duì)學(xué)生強(qiáng)調(diào)三個(gè)“P”理念：Passionate、Persistent以及Persuasive。在該理念的熏陶下，楊堯也對(duì)自己有了更高要求。他把所有精力傾注在科研上，取得了不錯(cuò)的收獲——在讀博期間發(fā)表了兩篇Nature，并且是其中一篇文章的第一作者。
2022年10月，楊堯結(jié)束了博士后工作，回國(guó)全職加入西湖大學(xué)工學(xué)院，建立了自己的實(shí)驗(yàn)室，目前已有2名博士后和4名博士。他給每個(gè)學(xué)生都安排一個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)目，為的就是鍛煉他們各方面的能力。他的辦公室和實(shí)驗(yàn)室相連。除了關(guān)注科研進(jìn)展外，他也經(jīng)常與學(xué)生交流，關(guān)心和了解他們的心理狀態(tài)。
“學(xué)校的科研氛圍很好，大家都充滿熱情和活力。而且我有好多校友也在這里任職，今后我們可以開展多方面合作。我對(duì)未來(lái)充滿期待。”楊堯說(shuō)。
*文中圖片均由受訪者提供
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06785-z
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