在未來的核反應堆、聚變裝置以及其他新型能源和交通系統中，材料面對的往往不只是一種考驗。高溫、腐蝕、輻照和劇烈的機械載荷可能同時或先后作用，改變材料內部的原子排列，并推動各種微觀缺陷不斷產生、遷移和聚集。

材料在宏觀上表現出的腐蝕、變形和開裂，并不是孤立發生的現象。它們往往源于許多肉眼不可見的微觀過程。要真正理解一塊材料為什么會表現出某種性能、又為什么會在極端環境下逐漸失效，就需要把視線從最終出現的裂紋和孔洞，一路追溯到納米乃至原子尺度。

楊洋所做的，正是為這些微觀過程尋找直接而定量的證據，弄清原子排列和缺陷如何演化，以及這些變化怎樣最終影響材料的宏觀性能。

(相關資料圖)

楊洋是美國賓夕法尼亞州立大學副教授，入選 2025 年度《麻省理工科技評論》中國區“35 歲以下科技創新 35 人”。他的研究長期關注材料在腐蝕、輻照和力學載荷等極端環境下的結構演變，并利用原位透射電子顯微鏡、四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM）和三維重構等技術，嘗試把過去難以觀察和定量的微觀過程轉變成可以測量、分析和理解的信息。

他常把自己和團隊的工作概括成兩種角色。

一方面，他們像“原子世界的攝影師”，給材料拍照片、錄視頻，記錄微觀結構和缺陷如何變化；另一方面，他們也是“相機工具的工程師”，不斷開發新的顯微方法，讓過去看不見的結構變得可見，讓過去只能定性描述的現象變得可以定量分析。

但這些工作的最終目的，并不是獲得一張更清楚、更漂亮的原子照片。

他們真正想回答的是：材料為什么會表現出這樣的性能？極端環境又是如何改變它的？

從教室里的空座位說起

要理解楊洋在研究什么，可以先從一個看似簡單的概念說起：空位。

在這次訪談中，楊洋把晶體材料比作一間坐滿學生的教室。每個學生相當于一個原子，每個座位相當于晶格中原本屬于原子的位置。如果有一個學生沒有來，座位空了下來，這個“空座位”就類似于材料中的一個空位。

空位聽起來像一種“缺陷”，但它并不意味著材料出了問題。從熱力學角度看，在一定溫度下，真實材料中本來就會存在一定數量的空位。一個絕對完美、一個空位都沒有的理想晶體，反而并不是有限溫度下最穩定的狀態。

真正重要的是，這些空位有多少、在哪里，以及它們會怎么運動。在極端環境中，空位的數量和分布可能發生顯著變化。例如，高能輻射可以把原子從原來的晶格位置撞開；腐蝕可能使某些元素優先從材料中溶解；高溫則能夠加快原子的擴散和缺陷的遷移。

單個空位只有一個原子的尺度，但當大量空位不斷產生、遷移甚至聚集時，它們就可能影響元素擴散、局部變形、孔洞形成以及材料的強度和耐腐蝕性能。

長期以來，困難并不在于科學家不知道空位重要，而在于很難知道它們究竟在哪里。

還是回到那間教室。傳統的一些方法，可以告訴你這個班平均有幾名學生缺席，卻很難告訴你究竟是哪幾個座位空著，更不知道這些空座位是均勻分散在教室里，還是集中在某一排、某一個角落。

而這兩種情況，對于材料來說可能意味著完全不同的事情。楊洋和合作者希望做的，就是把這種“全班平均值”，進一步變成一張具有空間分辨率的“座位分布圖”。為此，他們使用了一種名為四維掃描透射電子顯微鏡的技術，也就是 4D-STEM。

所謂“四維”，并不是說它多出了一個時間維度，而是因為電子束會在樣品的二維平面上逐點掃描，同時在每一個掃描位置記錄一幅二維電子衍射圖樣。

電子束穿過材料以后會發生散射，而散射圖樣中包含著原子排列和晶格結構的信息。原子的間距、局部應變、化學成分甚至某些缺陷發生變化時，這些圖樣也會隨之發生非常細微的變化。

不過，這并不意味著顯微鏡可以直接把一個空位像拍籃球一樣拍攝出來。楊洋和合作者所做的，是把 4D-STEM 測得的晶格變化與元素分布、理論模型以及密度泛函理論計算結合起來，從多個維度的信息中反推出局部空位的濃度。

這樣一來，過去只能得到一個較大區域內的平均空位含量，現在則有機會進一步看到它在納米尺度上的空間分布，空間分辨率提高了十萬倍以上。這就像過去只能知道一個城市的平均人口密度，現在開始能夠進一步區分，人口究竟集中在哪些街區。

在對高溫熔鹽腐蝕后的鎳鉻合金進行研究時，楊洋和合作者發現，一些發生元素貧化和晶界遷移的區域存在明顯的空位過飽和，而且不同位置的空位濃度差別很大。

這意味著人們可以開始問一些過去很難直接回答的問題：為什么空位會集中在這里？它們和周圍的化學成分、晶界結構有什么關系？這些空位接下來又可能演化成什么？對于楊洋來說，這正是顯微技術真正有意義的地方。不是簡單地“看見一個缺陷”，而是借助這些信息，開始理解一個微觀機制。

金屬里面的“蟲洞”

空位并不會永遠停留在原地。在某些腐蝕過程中，大量非平衡空位的產生、遷移和聚集，可能進一步參與孔洞和腐蝕通道的形成。楊洋和合作者曾研究鎳鉻合金在高溫熔鹽環境中的腐蝕。熔鹽是一些先進核能和高溫能源系統中非常重要的介質，但與此同時，它也會對結構材料提出嚴苛的耐腐蝕要求。

在實驗中，楊洋等人觀察到了一種很特別的腐蝕形貌。人們熟悉的局部腐蝕，例如點蝕，往往會形成一個逐漸向四周擴展的腐蝕坑；而晶間腐蝕通常會沿著兩個晶粒之間的晶界區域發展。但楊洋等人看到的并不是這種形態。

熔鹽沒有均勻地侵蝕整個晶界，也沒有在表面留下一個不斷擴大的大坑，而是局限在金屬內部的晶界網絡中，沿著晶界里的某些極窄路徑向材料深處延伸，形成高長寬比的通道。楊洋和麻省理工的合作者周偉躍博士共同發現了這個奇特的腐蝕現象，并把這種腐蝕形貌命名為“一維蟲洞腐蝕”。

這里的“一維”，并不是說通道在數學意義上只有一個維度，而是強調腐蝕被限制在非常狹窄的路徑中，并主要沿著材料深度方向向前延伸。

從三維結構上看，它更像是隱藏在金屬晶界內部的一套毛細血管或者隧道網絡。這種結構在二維截面上尤其容易被誤解。如果把材料切開，只看一張普通的二維截面圖，人們往往只能看到沿晶界分布的一個個零散小孔；這些小孔看起來彼此分離，也并不會表現成一條連續的孔洞沿著整條晶界展開。因此，僅憑二維截面，很容易把它們理解成一些相互獨立的孔洞。

但楊洋和合作者通過聚焦離子束連續切片和電子顯微鏡三維重構發現，這些二維截面中的“小點”，實際上可能屬于同一條彎曲而連續的隧道。也就是說，二維里看起來互不相干的缺陷，在三維空間中可能是一套連通的腐蝕網絡。

這件事情的重要性就在這里。先進電子顯微鏡技術不僅讓研究人員“看到”了以前難以識別的結構，也改變了他們對腐蝕路徑的理解。

這些蟲洞究竟是怎樣形成的？在鎳鉻合金和熔鹽發生反應時，鉻原子會被優先溶解。原子離開晶格以后，會在材料中留下大量非平衡空位。與此同時，元素擴散以及晶界的遷移又會不斷重新分配這些空位。

在某些位置，空位可能大量累積，進一步促進孔洞形核。孔洞一旦形成并與熔鹽接觸，腐蝕介質又可以繼續沿著這些通道向材料內部推進。

因此，一維蟲洞腐蝕并不是一個簡單的“原子被溶掉以后留下一個洞”的過程。它背后涉及元素選擇性溶解、空位產生與遷移、晶界運動、孔洞形成以及熔鹽滲入等多個過程之間的耦合。

這項工作的意義，也不只是發現了一種新的腐蝕形貌。更重要的是，當研究人員知道這種通道為什么產生、沿著什么結構傳播、哪些微觀因素會促進它形成之后，就有機會進一步思考：

是否能夠通過調整合金成分或者加工工藝，讓這種腐蝕路徑更難形成？這正體現了楊洋研究的一條核心思路：從微觀結構和缺陷演化出發，理解材料失效背后的機制，再把這些認識用于材料的評價和優化。

（來源：Y. Yang et al., Nature Communications, 14, 988, (20）

原子也有“朋友圈”

如果說空位和蟲洞腐蝕講的是材料怎樣在極端環境中發生損傷，那么楊洋的另一類研究，則試圖回答一個看似相反的問題：

為什么有些材料能夠表現出異常優異的性能？

多主元合金就是他關注的一類材料。

傳統合金通常以一種元素為主體，再加入少量其他元素來調節性能。比如鋼以鐵為主要成分，再加入碳以及其他合金元素。

楊洋曾把這些少量加入的元素比作“調味料”。

而多主元合金采用了完全不同的設計思路。

它會把幾種主要元素按照相近的比例混合在一起，每一種都不再只是少量添加劑，而是材料的重要組成部分。

在這次訪談中，楊洋繼續使用“教室”的比喻來解釋，這就像把幾個不同班級的學生打散，再重新安排進同一間教室，而且每個班來的人數都差不多。

最簡單的假設是，這些學生完全隨機落座。

對于合金來說，也就是說不同種類的原子完全隨機地占據晶格位置。

但真實情況往往沒有這么簡單。

不同元素具有不同的原子尺寸、化學相互作用和電子結構，因此它們并不一定愿意完全隨機地和其他原子做鄰居。

楊洋曾舉過一個很直觀的例子。

假設體育班的學生普遍個子比較大，如果所有體育班學生都擠在一起，可能會覺得過于擁擠，于是他們可能更傾向于和其他班級的學生交錯坐在一起。

當然，真實的原子并沒有“喜歡”或者“不喜歡”這樣的情緒。

這個比喻只是想說明：不同原子之間存在不同的相互作用，因此在很短的距離范圍內，它們可能表現出一定的鄰近偏好。

這種只在一兩個或幾個原子間距范圍內存在的非隨機排列，被稱為化學短程有序。

它不像普通晶體結構那樣形成覆蓋整個材料的長程周期，但它可能影響晶體缺陷的運動、局部變形以及材料的力學和物理性能。

圍繞短程有序，學界長期存在一個問題：理論計算往往預測它會顯著影響多主元合金的力學性能，但一些實驗卻沒有觀察到預期中的明顯差別。

這里一個很關鍵的假設，是快速凝固出來的材料應該接近完全隨機，因為原子沒有足夠時間去尋找自己偏好的鄰居。

楊洋在訪談中用另一個教室場景解釋了這個想法：假設先讓教室里的學生全部站起來。如果給他們足夠長的時間再坐下，大家可以先四處尋找自己喜歡的伙伴，然后選擇坐在旁邊；但如果把所有人的位置迅速打亂，緊接著馬上要求所有人坐下，而且這個過程快到大家根本來不及尋找喜歡的鄰居，那么最后的座位安排就應該更接近隨機。按照過去的直覺，極快的冷卻就應該對應后一種情況——原子還來不及重新排列，液體便已經凝固。

但楊洋和加州大學爾灣分校 Penghui Cao 教授等合作者發現，真實的凝固過程比這個直覺更有意思。實驗和原子模擬表明，即使冷卻速度極高，原子仍然可能在液體轉變為固體的凝固前沿迅速找到偏好的鄰居。

原因在于，原子不需要等到整個材料都凝固以后再重新尋找位置；就在固液界面向前推進的極短時間窗口里，液體中的原子仍然具有足夠快的局部擴散能力，可以完成一定程度的重新排列。

也就是說，即使“老師很快就喊了坐下”，原子在真正被固定到晶格位置之前，仍可能利用最后那一點時間找到更偏好的鄰居。由此形成的短程有序，在材料剛剛凝固時就可能已經相當明顯。

這一發現改變的并不是“短程有序是否一定能讓材料變強”這個結論，而是過去很多實驗比較的前提。如果快速凝固樣品本身已經具有明顯的短程有序，那么再把它與后續退火樣品比較，二者的有序程度可能并沒有人們想象中那么大的差別，自然也很難僅憑力學性能的差異判斷短程有序究竟起了多大作用。

這使問題進一步變成：怎樣真正調控短程有序的程度？又怎樣在其他因素盡量保持一致的情況下，定量建立這種原子排列與材料性能之間的關系？

（來源：楊洋、韓英）

從“看見”走向“理解”

空位、蟲洞腐蝕和短程有序，看起來是三個不同的故事。空位是晶體中缺少了一個原子；蟲洞腐蝕是腐蝕、擴散和缺陷演化共同作用后形成的隱蔽通道；短程有序則不是材料“少了什么”，而是不同原子選擇怎樣彼此相鄰。但它們背后其實指向同一個問題：材料宏觀上表現出的強度、韌性、腐蝕和失效，究竟是怎樣從微觀結構和原子尺度的變化中產生的？

這也是楊洋試圖長期回答的問題。在他的研究中，先進電子顯微技術并不是終點，而是一種尋找機制證據的工具。他和團隊一方面利用原位透射電子顯微鏡、4D-STEM 以及三維重構等技術，觀察和測量材料在不同環境中的結構變化；另一方面結合理論計算和數據分析，把顯微鏡記錄到的信號進一步轉化為關于缺陷、應變、元素分布和原子排列的定量信息。

楊洋希望建立的，是一條從原子尺度一直連接到宏觀性能的鏈條：原子怎樣排列，缺陷怎樣產生，缺陷怎樣遷移和聚集，這些變化又怎樣共同決定材料最后表現出來的性能。這種認識對于極端環境材料尤其重要。

從先進核能和未來聚變裝置，到航空航天、高溫能源系統以及氫能相關裝備，越來越多的新技術正在把材料推向更高的溫度、更復雜的化學環境、更強的輻照和更大的機械載荷。

在這些條件下，僅僅知道一種材料“能不能用”還遠遠不夠。人們還需要理解：為什么它能用？為什么另一種材料不行？哪個微觀結構真正決定了性能？改變成分或者加工方法之后，材料內部又發生了什么？

只有當這些問題逐漸被回答，材料設計才可能從大量經驗試錯，進一步走向更加機制驅動的評價和優化。

對于楊洋來說，“看見原子”從來不是故事的終點。真正重要的是通過這些微觀證據，讀懂材料。

參考資料：

1.https://www.psu.edu/news/materials-research-institute/story/atoms-advanced-alloys-find-preferred-neighbors-when-solidifying/

2.https://www.psu.edu/news/engineering/story/scientists-identify-new-mechanism-corrosion/

3.Y. Yang et al., Nature Communications, 14, 988, (2023).

4.Y. Han et al., Nature Communications, 15, 6486 (2024)

運營/排版：何晨龍

標簽： 原子 合金 顯微 材料 晶格 晶體 新型高