“强柔并济”的新金属材料，点冷机来了！
■本报记者 严涛
“重大的技术创新高度依赖于基础研究的重大突破，但这些突破往往不会一蹴而就，因而需要全社会给予科学家更多的耐心和自由。”
2017年9月，时任西安交通大学前沿科学技术研究院院长任晓兵在浦江创新论坛上发表演讲时说出了这句话。彼时，任晓兵还在思考团队的基础研究成果“应变玻璃态合金”如何应用于新材料研发。
7年后，任晓兵团队终于向前迈进了一大步，“应变玻璃”的应用开始驶入快车道。他们研发出一种可规模生产的金属合金，突破了长期以来高柔性和高强度不可兼得的原理性瓶颈，实现了高分子材料的超高柔性和超高强度钢的超高强度。近日，相关研究成果在线发表于《自然》。
“既强且柔”的新材料
一直以来，金属材料领域的科学家都有一个共同愿望，就是找到一种接近“完美”的新材料——既有钢一样的高强度，又有塑料一样的柔韧性，实现“鱼与熊掌兼得”。
这种“既强且柔”的材料是很多未来技术的支柱材料。任晓兵举例说，飞行器在起飞或着陆时需要把机翼展开，让它产生足够的升力，高速飞行时需要尽量把机翼收起来以减少空气阻力，这需要机翼材料具有足够的柔性。“这与鸟在起飞和高速飞行时使用不同翼展的原理类似。但飞行器会以几倍于音速的速度高速飞行，机身突出部分——比如机翼，承受的力是巨大的，如果材料强度不足，机翼就会被撕裂，因此需要‘既强且柔’的材料。”
在科幻电影中，常常有未来世界的超级机器人用拳头打穿墙的场景，这个力量的来源就是超强的人工肌肉纤维。但是，要在现实中实现这一点其实很难。
“人体器官等未来科技领域，都在呼唤一种结合强和柔两种特点的新材料出现。如果这样的材料能出现，这些未来科技就都有实现的可能。”任晓兵说。
但是，两种矛盾的特性在一种材料中同时出现，是与目前材料科学原理相悖的。比如，高强度钢要拉断它很困难，但是它无法同时表现出像橡胶或塑料一样的高柔性。而高分子塑料制品，如玩具塑料弹簧、塑料救生圈等，可以轻易产生大的弹性变形，但也很容易发生断裂或破裂，这类材料足够柔，但不够强。“既强且柔”的特性在已知材料中从未实现过，这样的材料似乎只是存在于科幻世界、不可实现的美好梦想。
利用“拔丝红薯”解决难题
与当前科学原理相悖，但未来技术又迫切需要，基于20多年来取得的一系列重要成果，任晓兵团队对发现这种 “科幻般”的材料充满期待。
2005年，任晓兵团队在世界上首次发现一类奇特的“应变玻璃态合金”。这一发现是物理原理上的突破，有可能带来具备全新性能的新材料。2009年，任晓兵团队发现了世界上首个压电性能超越统治世界50余年的“压电之王” 锆钛酸铅（PZT）的无铅压电陶瓷材料，并意识到其中产生异常压电效应的新物理原理，有可能应用于金属材料并产生异常弹性特性。
任晓兵把难以理解的“应变玻璃态合金”比作生活中的一道美食“拔丝红薯”。他告诉学生：“应变玻璃与黏稠态的糖在物理上是平行的，糖在溶化过程中并没有明确的凝固点，而是在一个宽温域下逐渐硬化，不同于水结冰这类有固定凝固点的转变。”应变玻璃合金的这一特性可以提供宽温域下的稳定性能，对材料的实际应用至关重要。但是，实验表明，单纯的应变玻璃态并没有超柔的特性。
综合团队前期研究和发现，任晓兵认为，在宽温域下显示“既强且柔”的材料虽然大概率会出现在应变玻璃这类全新的材料中，但不会在纯的应变玻璃状态下出现，需要借助异常弹性效应的新物理原理才能实现。因此，他们开始布局新材料的探索。
出于以后规模生产的考虑，任晓兵团队选择了一种“满大街都能买到”的具有高强度潜力的商用镍钛合金作为基础材料，通过冷变形使其呈现高强度的“应变玻璃”状态，同时尝试改变各个工艺参数，观察其强度和柔性的变化。
终于，团队成员、博士生徐治志通过一种独特的“三步热机械处理工艺”，在高强度应变玻璃基体上“种入”两种马氏体的“种子”，形成了一种“双种子”+应变玻璃的特殊状态。该状态的材料呈现出大家期待已久的“既强且柔”的奇异性质。
进一步的微观分析显示，超柔状态来源于这种特殊状态下，双马氏体和应变玻璃之间的无形核相变及相对应的异常弹性效应。
归功于应变玻璃的“拔丝红薯”渐变特性，该应变玻璃合金“强柔并济”的特性能够在-80℃到80℃的宽温域内保持，同时该合金在大应变下仍具有出色的抗疲劳特性。对于变形飞行器及机器人等需要在宽温域下工作且需经历反复大变形的应用而言，这些特性是至关重要的。
任晓兵认为，这次发现的金属合金还有几个优点，一是基础合金很普遍，二是技术工艺对于工厂来说并不难，三是适合大规模量产。
一场“意外的惊喜”
说到发现这种金属合金的过程，任晓兵称其为“意外的惊喜”。
论文第一作者徐治志在初期探索中，将高强度镍钛合金的弹性模量做到了低至30GPa。在任晓兵看来，这属于意料之内的“常规动作”，是这类材料固有的特性，以前也有类似报道，因此并没有太多突破。但是，任晓兵并没有点破。“否则，会打击学生的积极性。经验不足的年轻人往往可以凭着冲劲，有一些意外的发现。”
在任晓兵的刻意“隐瞒”下，徐治志依然采用自己的方法进行进一步的探索实验。直到某一天，徐治志把弹性模量做到了15GPa。任晓兵几乎不敢相信， “我意识到这一定是全新的机制出现了”。
激动之余，任晓兵帮助学生布置新一轮实验。在团队青年教师纪元超和马天宇的帮助下，徐治志将高强度材料的弹性模量首次做到了10GPa，并阐明了该奇异性能的特殊应变玻璃起源。
对任晓兵团队来说，之前的应变玻璃提出了全新的科学原理，此次全新金属合金只是其中的一项工作，在应变玻璃这个大领域中还将会有更多发现和收获。
“对我们来说，这就像10根手指，金属合金只是其中的1根，还有9根的事情要去完成。”任晓兵说。
《中国科学报》 (2024-09-13 第1版 要闻)
