高压纳米研究先行探索者

　　2014年5月，北京高压科学研究中心（简称HPSTAR）正式成立，美国科学院院士、中国科学院外籍院士毛河光先生担任主任。毛河光是2012年由中组部正式批复，通过创新团队项目引进的高科技人才。HPSTAR以“自由、顶尖、合作”为核心精神，致力于高压科学与技术的研究，主要研究领域包括高压物理学、高压化学、超硬材料、行星与地球物理、高压纳米科学、高压功能材料、高压能源、高压技术、高压同步辐射源9大研究方向，力争打造成为未来世界压缩科学的研究中心。

　　正所谓“一呼百应”。许多国内外顶尖人才纷纷加盟HPSTAR，陈斌就是其中的一位。2014年，也就是HPSTAR成立的那一年，在美国学习生活了18年的陈斌，回国入职了HPSTAR，现任北京高压科学研究中心上海分中心主任。在这里，他可以“不受限制”地做科研、做最前沿的研究，并通过研究工作保持高端的国际合作，让自己的研究成果引领前沿。 陈斌，中央第十一批创新长期项目特聘专家，2001年博士毕业于美国堪萨斯密苏里大学，2002—2008年先后任职于奥兰多CREOL光学中心和加州大学柏克利分校，2008—2014年在劳伦斯伯克利同步辐射光源担任束线研究员。2014年，他顺从自己的内心召唤，风尘仆仆地赶回祖国，也带回了自己多年的科研经验和合作资源。

　　借鉴地学矿物研究技术 专注高压纳米材料

　　陈斌长期从事高压纳米研究，主要是探索纳米材料尺寸、掺杂、表面环境和外部极端条件对结构与物性的影响。早在2007年，陈斌就发现了表面杂质抑制纳米材料粗化和相变的物理机制，该项成果发表于国际期刊《物理评论快报》上。纳米材料已经广泛应用于催化剂和光伏产品中，但纳米晶粒在高温条件下容易长大，发生相变，进而影响其原有性能。为了抑制这种不利变化，掺杂成为纳米技术中一种常用手段。但相关的物理机制长期未被了解，阻碍了对纳米材料的进一步研究。陈斌及合作者通过对掺钇TiO2纳米材料的研究，发现少量的表面杂质降低了纳米颗粒的表面能，从而延缓了晶粒的粗化和相变。实验结果表明，表面掺杂能够在不影响纳米主体材料原有特性的基础上，降低温度等外界条件带来的不利影响。该研究成果对纳米催化剂在高温下的应用具有重要意义。

　　2012年，陈斌在美国劳伦斯伯克利同步辐射光源担任束线研究员时，对纳米材料的研究又前进了一步。陈斌最先在小于3nm的晶体中探测到被认为不存在的位错活动。根据计算机模拟和电子显微镜研究，人们认为在10nm以下的晶体材料中不会有位错形变机理。而陈斌却在纳米镍的高压实验中观测到了应力诱导的织构特征，找到了位错活动在小于3nm的晶体中存在的证据。新发现修改了现有纳米材料塑性形变理论，也表明原位高压织构实验方法是研究纳米晶体形变机理的一种十分有效的研究手段。该项成果最终发表在《科学》杂志上。

　　回国发展后，陈斌没有放弃之前的课题，而是将其研究进一步延伸。2016年，陈斌带领自己的团队和合作者克服诸多技术障碍，运用微区劳厄X射线衍射法探测到了纳米金属颗粒转动的反转。而在此之前，材料物理界一直认为在压力环境下，材料颗粒越细转动就越大。而陈斌团队的研究成果则修正了沿用了六十多年的纳米金属塑性形变的传统观点和理论，将会对理解和设计材料的结构和物性提供指导，促进纳米科技的进一步发展。不得不说，陈斌在纳米材料方面的研究更加细致，也更加深入。

　　同年，陈斌的另外一篇论文作为封面文章发表在国际学术期刊《Nanoscale》上，证明陈斌的研究具有超前的创新性。通过表面杂质调控纳米基体的结构和物性，陈斌通过对比实验发现，吸附在二氧化钛纳米晶体表面的少量杂质钇可以改变二氧化钛晶体的相变路径和力学性能。这一新奇现象有助于开发纳米材料在微电子学、光学和力学控制系统中的应用，也展示了成立仅仅两年的HPSTAR的强大的实验室能力和陈斌对纳米材料的专一性。

　　但陈斌并不会就此罢休，2020年，《自然》杂志的一篇论文再次引发了业内的关注。陈斌团队与重庆大学教授黄晓旭带领的研究团队通过高压抑制了细晶软化， 实现了细晶强化。通常情况下，组成金属的晶粒越小，其强度越高，遵循Hall-Peth关系。但科学家们又发现，当晶粒细化到小于15~10nm左右时，纳米金属的强度不再增加，反而减小了。这一表现称为”反Hall-Peth关系”。由于实验技术所限，传统手段无法测量尺寸小于15nm晶粒的机械性能，因此无法得知对于晶粒尺寸更细的纳米金属的强度是否依然遵循”反Hall-Peth关系”。 陈斌团队率先将一种用于地学矿物研究的技术引入到纳米材料的压缩变形研究，开发了高压微纳力学测试方法， 可以表征超细纳米晶的弹塑性行为。团队发现，在高压下纳米镍从晶粒尺寸20~3nm不仅没发生软化反而持续强化，并且3nm镍在高压下的强度可以达到普通商用镍强度的10倍之多，该研究表明压缩可以有效抑制纳米晶界的塑性变形，提供了一种获得高强度金属的新途径。

　　打开石墨烯带隙 创造应用新高度

　　石墨烯的发现可谓是材料史上一件惊人的创举。石墨烯以其优异的力学，电学和光学特性在柔性材料、新能源、晶体管等领域具有重要的应用前景，发现人因此获得了2010年诺贝尔物理奖。 石墨烯还被认为有望取代硅基半导体，引发新一轮科技革命。虽然新材料的发现令人欣喜，同时也存在一些遗憾。石墨烯是零带隙半金属材料，若想推广其应用，必须要将石墨烯的带隙打开。而经过多年的努力，科学家才将石墨烯的零带隙打开至0.3 eV，还远远低于实际应用要求。因此，打开石墨烯的带隙成了将其制备成高性能电子器件的首要挑战。在陈斌团队取得重大技术突破之前，许多科学家运用包括量子点、纳米带、纳米筛在内的量子限域法，化学掺杂法，外加电场调节法等多种化学、物理方法，试图打开石墨烯的带隙，却只取得几百毫电子伏的结果。正是这一令人还不是很满意的结果，却是留给了陈斌及其团队获得成功的一次机会。

　　陈斌团队在仔细研究了前人们的方法之后，对石墨烯的特性有了更深入的了解，他们决定不走寻常路，独辟蹊径，经过不懈努力，通过高压调控技术，成功地将石墨烯的带隙打开至2.5eV，并且维持至常压条件下。团队运用光刻技术制备薄膜电极保证样品与电极间的良好接触，结合手工布线和传压介质技术保证电极在极端高压环境下的稳定性，首次实现了超薄样品超高压原位电输运测量。电学测量是判断材料金属-绝缘体转变以及带隙打开的直接证据。研究结果表明在极端压力环境下三层石墨烯从半金属态转变为半导体状态。光吸收实验数据表明三层石墨烯被调控至2.5±0.3 eV，并且带隙一旦被打开，可以保存至很低的压力。该研究结果为打开石墨烯的带隙提供了新的方法，也消除了人们对于石墨烯没有带隙而无法制备高性能场效应管的疑虑，为制备高性能石墨烯场效应管提供了重要指导依据，可能重燃石墨烯科技革命。

　　不断的科学发现令陈斌感到兴奋，同时也激励其进一步对多种新型的领域深入探讨，而其2017年发表在《先进材料》上的一篇论文，又开启了全新的科研视角。

　　突破二维材料难关 迈向室温超导研究

　　如何保留高压诱导的超导现象到室压条件下是一个长期存在的难题，实现高温、室温超导是超导学术界和工业界梦寐以求的圣杯。只有把压力诱导高温超导现象保留到室压条件才能为实现实际意义上的应用而创造条件。借助高压技术，创纪录的超导转变温度165 K和203 K先后在铜氧化物和硫化氢上实现。但遗憾的是，压力诱导的超导现象随着压力的卸除一起消失了。经过深思熟虑，陈斌决定选择二维材料硒化铟为研究对象，因为层状材料的电子结构可以通过施加压力进行调控，并且压力调控获得的特性通常可以维持到较低的压力条件，这有利于将高压诱导的超导现象保存至低压甚至室压条件下。另外，硒化铟对外界环境非常敏感，可通过改变外界环境实现其不同电子态间的转换，有利于通过压力调控获得需要的超导电子态。在硒化铟中，压力诱导的二维到三维的结构相变与其他二维材料不同，暗示着其电子结构在压力下的演化行为也与其他的层状过渡金属硫化物不相同，因而出现与过渡金属硫化物完全不同的超导现象。

　　在二维材料硒化铟中，陈斌及其团队惊奇地发现压力诱导的超导行为在降压过程中反而增强了，超导温度比升压过程中的高了近一倍，并且维持到了很低的压力。这是首次在卸压过程中发现超导增强的现象，这个鼓舞人心的结果表明合适地选择材料，高压诱导的高温超导现象有希望保持至低压甚至室压条件下，使高压超导的应用成为可能。但陈斌依旧谦虚地说，这项研究还仅仅是团队迈向室温超导的一个开始，但陈斌也有理由相信，在二维材料中有更多的惊喜等待着他和他的团队。

　　从基础学术到应用开发

　　对新现象、新规律的深入研究和理解，常常可以催生新技术新材料的产生。陈斌团队长期研究纳米材料的弹塑性形变机制。他们敏锐地认识到晶界的一些行为可以被利用来促进晶体的生长。经过多年的尝试，他们成功地找到了固相单晶生长法，期待着对相关产业产生重要的影响。

　　另外，他们也扩展到了高温合金的制备。金属高温下容易变软，限制和影响了很多应用。高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及应力环境下长期工作的一类金属材料。广泛应用于制造航天飞行器、火箭发动机、航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、涡轮盘、导向叶片、高压压气机盘和燃烧室等高温部件，还用于核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。高温合金发展的趋势和需求是进一步提高合金的工作温度和改善中温或高温下承受各种载荷的能力，延长合金寿命。 粉末冶金工艺是高温合金重要制备方法之一。粉末颗粒细小，金属利用率高，成本低，尤其是热加工性能好，可以较大地提高合金的屈服强度和疲劳性能。但是，在高温下，合金的晶界是薄弱环节，兼备高温强度和塑性极具挑战性。陈斌团队利用他们的纳米材料高压弹塑性研究经验和科研领先优势，结合计算和实验，优化纳米金属的强度。利用独特的动高压技术，可控制备成了块体纳米金属，获得了优异的高温力学性能。该技术可望推动纳米科技的应用化和产业化。

　　在陈斌回国短短的几年时间内，就带领团队在基础学术研究方面发表了多篇有分量的论文，分别入选《科学》《自然》《物理评论快报》等顶尖国际学术期刊，也让“高压微纳力学”初具雏形。从基础学术到应用技术的贯通也正在形成。对于未来的研究，陈斌也早已谋划得当，他将继续在新型碳和超硬材料领域驰骋，期待有更为创新性的成果出来，为我国的新材料研究再立新功。

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