世界首創(chuàng)技術(shù)為納米金屬材料拍出3D照片

12月1日，《科學(xué)》雜志刊登了重慶大學(xué)科學(xué)家的重要成果：該校材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、電子顯微鏡中心主任黃曉旭及其團(tuán)隊(duì)，利用自主研發(fā)的三維透射電鏡技術(shù)，在世界上首次實(shí)現(xiàn)對(duì)納米金屬塑性變形的研究，并發(fā)現(xiàn)納米金屬塑性變形后其內(nèi)部晶體取向可回轉(zhuǎn)這一反常現(xiàn)象。

這一重大發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著黃曉旭團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的三維透射電鏡技術(shù)，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，正式從原理進(jìn)入成熟應(yīng)用階段，實(shí)現(xiàn)了納米材料研究從二維到三維的跨越。

納米金屬材料由于強(qiáng)度高、耐磨性好等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛且影響深遠(yuǎn)。不過(guò)材料微觀結(jié)構(gòu)的變化與其宏觀性能上的改變之間有什么樣的因果關(guān)系，還有待科學(xué)研究去揭示。而傳統(tǒng)的透射電鏡技術(shù)，只能觀察材料內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的二維投影。科學(xué)家們一直在尋求一種能夠?qū){米材料三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度表征的新技術(shù)。

黃曉旭團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于先進(jìn)表征技術(shù)和納米金屬的研究，并在10多年前提出了一種利用透射電子顯微鏡對(duì)納米晶體材料進(jìn)行直接三維定量表征的新方法——透射電鏡三維取向重構(gòu)技術(shù)，這一首創(chuàng)性技術(shù)的相關(guān)原理還在2011年于《科學(xué)》雜志上發(fā)表。

“這個(gè)技術(shù)從理論實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，我們用了10年?！秉S曉旭說(shuō)，看似簡(jiǎn)單的三維圖像，其實(shí)是由幾十萬(wàn)張透射電鏡照片的晶體取向信息合成提取獲得。

為了讓這項(xiàng)技術(shù)高效、準(zhǔn)確、實(shí)用，黃曉旭團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了原創(chuàng)性技術(shù)研發(fā)，在硬件上研制出電鏡電子光學(xué)與圖像采集控制系統(tǒng)，提升了電鏡的高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集速度；在軟件上開(kāi)發(fā)出高效的數(shù)據(jù)處理分析和三維重構(gòu)系統(tǒng)，從而將納米材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從二維圖片變成了三維圖譜。利用這些原創(chuàng)技術(shù)，他們成功開(kāi)發(fā)了一系列基于電子衍射的三維透射電鏡技術(shù)，其中透射電鏡三維取向重構(gòu)技術(shù)的空間分辨率達(dá)1納米(1納米相當(dāng)于百萬(wàn)分之一毫米)。這些技術(shù)填補(bǔ)了納米級(jí)三維取向重構(gòu)技術(shù)的空白，將大大促進(jìn)三維材料科學(xué)的發(fā)展。

“三維透射電鏡技術(shù)是我們?yōu)檠芯考{米材料打造的一把稱心如意的劍?！敝貞c大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、電子顯微鏡中心副主任黃天林說(shuō)，有了這個(gè)強(qiáng)有力的工具，就可以對(duì)組成納米材料的各個(gè)小晶體進(jìn)行精確描述。這不僅可為建立微觀結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的新理論模型奠定基礎(chǔ)，還能為開(kāi)發(fā)控制和優(yōu)化納米材料結(jié)構(gòu)與性能的新途徑提供指導(dǎo)。同時(shí)，相比已經(jīng)在材料科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的X射線三維表征技術(shù)，透射電鏡三維取向重構(gòu)技術(shù)將空間分辨率從微米級(jí)提高到納米級(jí)。

黃曉旭團(tuán)隊(duì)還利用透射電鏡三維取向重構(gòu)技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)納米金屬塑性變形研究并發(fā)現(xiàn)納米金屬塑性應(yīng)變可恢復(fù)的反?，F(xiàn)象。這一新發(fā)現(xiàn)豐富了納米金屬塑性變形理論，將為先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)材料研發(fā)、納米材料使役行為的預(yù)測(cè)和控制，以及微納器件功能優(yōu)化提供指導(dǎo)。

“目前，我們準(zhǔn)備對(duì)三維透射電鏡技術(shù)進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化?！秉S曉旭表示，他們計(jì)劃將開(kāi)發(fā)的相關(guān)硬件和軟件技術(shù)有機(jī)整合，讓整合后的集成技術(shù)能直接安裝到傳統(tǒng)透射電鏡上，賦予傳統(tǒng)透射電鏡三維表征功能，從而助力汽車(chē)制造、航空航天及微電子器件等領(lǐng)域的材料研究。