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他，结构与工程材料专家，曾发Nature封面文章！

2022-02-14 16:32:26 0 572

今天，给大家介绍一位结构与工程材料领域的专家。他在纳米材料结构设计与力学性能研究、表面工程、仿真模拟设计等领域取得卓越的成就。他就是香港城市大学--吕坚教授。

个人简介

法国国家技术科学院士，香港工程科学院（HKAES）院士。

香港创新、科技及再工业化委员会委员，香港材料研究会（HK-MRS）理事长。

香港城市大学机械工程系讲座教授，国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心主任，先进结构材料研究中心主任，先进结构材料与增材制造研究部主任。

研究方向：主要包括先进纳米材料的制备与物理及化学性能（含超高新能表面增强拉曼光谱纳米探针），生物与仿生材料（多稳态结构，柔性机器人），先进材料集成设计，3D/4D打印材料与工艺。

获奖及荣誉：2018年获中国工程院第十二届光华工程科技奖；2011年当选法国国家技术科学院院士，是该院300余位院士中首位华人院士；2017年获法国国家荣誉军团骑士勋章；2006年获法国国家荣誉骑士勋章。

重要学术成果：在17年研发的镁基超纳双相-玻璃纳米晶材料强度是当时被报道的最强镁合金（Chen, L.-Y. et al. Nature 528, 539-543 (2015)）的数倍（Nature, 2017）。在2018年成功研发出一种新型“陶瓷墨水”，开发了全球首套4D打印陶瓷技术（Science Advances, 2018）。该技术被欧盟发表的100 Radical Innovation Breakthroughs for the Future做为4D打印技术的典型案例，我们研发的SERS探针的灵敏度比当前的商用SERS探针高100倍，且其成本低10倍。

重大项目经验：作为项目/课题负责人承担了科技部国家重点基础研究发展计划（973）、国家重点研发计划、自然科学基金重大项目、广东省重点领域研发计划、广东省粤港关键联合项目、深圳市重大产业技术攻关等多项项目及课题。

专利论文情况：研究成果在Nature（封面）, Science, Nature Materials, Science Advances, Advanced Materials, Materials Today, Nature Communications, PRL, JMPS, Acta Materials, Angewandte Chemie International Edition, Material Science and Engineering R: Report, Progress in Materials Science, Advanced Functional Materials, Advanced Science等一流杂志上发表450余篇，引用3万1千余次（Google Scholar）。取得52项欧、美、中专利授权（含拓展专利），其中美国授权专利35项。（更新于2022-1-03）。近几年内，吕坚院士的重大研究成果如下：

一、nature: 制备出近乎“理想强度”的超强镁合金

由于晶体缺陷的存在，使得材料的实际强度远低于理想强度。目前，大对数研究主要集中在利用材料中的缺陷在限制位错的运动，然而一个研究难点是由于在材料制备过程中反霍尔-帕奇(Hall-Patch)效应和剪切带的形成，通常会在相对较低的应变(小于2%)下发生软化。

为避免材料制备过程中的软化问题，作者研制出一种具有双相纳米晶结构的镁合金材料，通过磁控溅射法将直径约6 nm的MgCu₂晶粒均匀地嵌入约2 nm厚的富含镁的无定形壳中，生产获得具有非晶/纳米晶双相结构的镁基超纳尺寸双相玻璃晶（SNDP-GC）。结果表明：MgCu₂晶粒和镁相的结合综合纳米晶材料与非晶纳米材料的优势，在室温下表现出接近理想强度，有效解决了样品尺寸效应问题。

研究团队所制成的镁合金体系是由埋在无定型玻璃壳中的纳米晶核组成，所得双相材料的强度值为3.3 GPa，是迄今为止强度最大的镁合金薄膜。同时，研究者提出了一种由本构模型组成的强度增强机制：在材料制备过程中形成了一个由直径约6 nm且几乎无位错的晶粒组成的结晶相，当应变发生时该结晶相阻止了局部剪切带的移动传播，在任何已出现的剪切带内，嵌入的晶粒分裂和旋转，也有利于材料强化和抵抗剪切带的软化效果。

二、science子刊: 首次实现陶瓷材料的4D打印！

4D打印一般是指在3D打印的基础上增加一个时间维度，使得在一定刺激（譬如热，水，磁场，电流，紫外线等）下，3D打印物体的形状和功能随着时间发生可编程变化。4D打印技术之前大都应用在聚合物材料中，先前的文献报道中可以3D打印的陶瓷前驱体材料通常较难发生自变形，限制了陶瓷4D打印的发展。有鉴于此，吕坚教授研究组从材料出发，开发了不同系统的硅胶基质纳米复合弹性体材料作为陶瓷前驱体。这些弹性体材料的特性使其可以完成从3D打印到变形的过程，并且最终转变为陶瓷结构，从而逐步实现打印陶瓷折纸结构（Printed ceramic origami）和4D打印陶瓷（4D printing of ceramics）。

作者利用这种柔性特质设计出一种自动拉伸装置，让3D弹性体结构的基底拉伸产生预应力，在其上面打印出主结构。当预应力释放后，主结构就会发生变形，从而形成4D打印所需的弹性体结构，热处理后可转化为4D陶瓷。接着他们实现了陶瓷折纸结构。3D打印的弹性体结构可以在金属丝的辅助下折叠变形，经过热处理弹性体转化为陶瓷，然后金属丝被硝酸销蚀掉，最只剩下陶瓷结构。

在打印陶瓷折纸结构的基础上，他们还开发了两种自变形组装的方法来实现4D打印陶瓷。第一种是采用可编程自动双轴拉伸装置，通过释放基底中的预应力，使主结构发生屈曲变形，与基底一起形成4D打印的弹性体结构，热处理后进而形成4D打印的陶瓷结构。第二种是陶瓷前驱体墨水按照设计好的纹路被打印在预拉伸的陶瓷前驱体上，然后预应力被释放时，前驱体发生4D变形，经热处理得到4D打印陶瓷结构。

三、nature子刊: 制备出高强度，高塑性铝合金

晶态材料的强化往往会以牺牲塑性为代价。相比于晶态材料，非晶固体由于没有长程周期性的原子堆垛结构，其不具备晶体体系中的滑移系统和晶格位错。因此，金属玻璃（或非晶合金）相比其晶态形式有着非常不同的变形机制。

基于此，通过分子动力学合金设计，开发了结构单元为4纳米厚金属玻璃壳包裹40纳米直径的面心立方纳米晶的多级纳米结构铝合金。其具备1.7 GPa的超高压缩屈服强度（以及1.2 GPa拉伸屈服强度）。在塑性变形过程中，金属玻璃相的极小纳米尺寸提供了流变行为。位错从纳米晶/金属玻璃相的界面处产生。有一部分位错可在纳米晶粒中塞积从而提供应变硬化。同时，大多数位错可在纳米晶粒中运动，并在另外的纳米晶/金属玻璃相的界面处湮灭（此种位错可被称之为“转瞬”位错）。这种变形机制提供了大塑性（压缩大于70%，拉伸可达15%）。

四、Advanced Materials：首次研发出多组元高熵金属间化合物

随着化石燃料的逐渐枯竭以及其带来的日益恶化的温室效应，清洁能源的使用已经得到了的广泛关注。氢能，作为最具可持续性和可再生的替代能源之一，将在21世纪世界能源的舞台上扮演着重要的角色。在众多制氢方法中，电化学分解水以其环境友好及低成本的巨大潜力已被公认为最具吸引力的技术之一，然而，高昂的贵金属催化剂成本却极大地阻碍了其快速有效的发展。因此，如何设计廉价金属基电催化剂并使其同时拥有极高的催化效率以及稳定性是一个关键而富有挑战的课题。

基于上述考虑，作者采用一种创新的合金设计理念制备出一种廉价的且可大规模工业化生产的高熵金属间化合物(high-entropy intermetallic, HEI)合金催化剂,其包含五种主要金属成分（Fe,Co,Ni,Al,Ti）且具有明确的原子周期性排列。由于原始合金条带表面极其光滑且具有Heusler（有序BCC，体积分数5.18%）和L1₂（有序FCC）双相结构，作者们通过简单一步脱合金的方法首先制备出只有多组元L1₂型单相且拥有微细枝晶形貌的多孔结构。通过研究，这种微细枝晶多孔结构极大地提高了此HEI催化剂在反应中的电化学活性位点。更重要的是，作者们通过原子级球差电镜和三维原子探针相结合，从实验的角度上验证了多组元L1₂结构中的原子构型（Fe,Co,Ni原子随机地排列在面心位置，Al,Ti原子则分布在顶点位置以支撑intermetallic结构）。通过进一步理论计算其局域的原子配位环境得出，这种多组元金属原子之间的协同作用和独特的L1₂金属间化合物的长程有序原子构型能够更有效的优化此合金材料的电子结构，使其表面Al原子发生结构位点分离（site-isolation），使合金中随机排列的一元或多元Fe,Co,Ni原子与单独Al原子配位进而稳定了H₂O/H*的吸附/解析，极大地优化了其析氢过程中的能量势垒。无Al或多Al原子参与配位反而会降低其反应活性，突出了此高熵金属间化合物结构位点分离及多组元成分的潜在优势。由于这种独特的合金成分及结构的设计，此高熵金属间化合物催化剂在碱性（1M KOH）电解液中表现出良好的析氢活性，在10mA cm^-2的电流密度下其过电位仅为88.2 mV，同时，此合金催化剂也表现出较好的析氧活性，在10mA cm^-2的电流密度下展现出过电位为299 mV。由于其与贵金属催化剂相媲美的优异催化活性加之廉价的原材料成本，此高熵金属间化合物催化剂为下一步工业化电化学制氢和制氧提供了广阔的应用前景。

五、Advanced Functional Materials: 高熵金属玻璃电化学析氢

随着工业市场经济的高速发展，化石燃料的过度开采及使用所造成的全球生态环境危机已经成为人类命运共同体需要面临的首要挑战。今年，习近平主席在第75届联合国大会提出了我国在2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”的总体战略目标。氢能,作为最具可持续性和可再生的绿色能源，将在实现碳中和道路上扮演举足轻重的地位。在众多制氢方法中，电解水制氢以其环境友好的巨大潜力已被公认为最具吸引力的储能技术之一。因此，如何在可再生能源规模化电解水制氢生产中实现“大规模”、“低能耗”、“高稳定性”三者的统一将成为突破此国家战略发展需求的核心问题。

在上述研究基础上，为进一步结合非晶合金和高熵合金体系中的特征优势，作者创新的合金设计理念制备出了一种具有等原子比且可大规模工业化生产的（high-entropy metallic glass, HEMG）合金催化剂。它包含五种主要成分（Pd,Pt,Cu,Ni,P）且具有明确的玻璃态及非晶态结构特征。由于原始合金条带表面极其光滑，作者们通过简单一步脱合金法制备出表面具有纳米海绵形貌的多孔结构，成功实现了此HEMG催化剂表面活性位点的有效构筑。作者们通过原子级球差电镜、电子能量损失谱（EELS）、X射线光电子能谱（XPS）、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES) 与DFT相结合，从实验和理论的角度上验证了脱合金过程可诱导催化剂表面纳米孔周围自发的形成PdPtP和PdPt纳米晶结构并伴有轻微的晶格畸变效应，这主要归因于金属玻璃本征结构中原子的高度扩散性和化学均质性。通过进一步理论计算其局域的原子配位环境得出，自发形成的PdPt纳米晶可在水分子分解步骤（water dissociation step）有效降低其反应能量势垒使其快速分解成氢质子（H*），与此同时，PdPtP纳米晶在稳定H*的吸附/解吸过程中扮演着重要角色，突出了此HEMG的独特结构特征对均匀纳米孔形成及其多元成分的潜在优势。由于这种独特的合金成分及结构设计，此HEMG催化剂在碱性（1M和0.1 M KOH）及酸性（0.5M和0.05M H₂SO₄）电解液中兼表现出良好的析氢活性，在10mA cm^-2的电流密度下其过电位仅为32 mV、93 mV（1M和0.1 M KOH）和62 mV、73 mV（0.5M和0.05M H₂SO₄），同时表现出近100小时结构性能稳定性。此HEMG合金催化剂独特的结构成分设计理念将为下一步对廉价HEMG催化剂提供重要的理论基础和方向。

六、总结与展望

吕坚教授指出：未来15年将是中国工业经济与科技发展的新时期，中国材料界将面临着前所未有的竞争与封锁，中长期材料科技发展的战略选择是应该建立一个有独立或共享成果的，完整的开放式创新研发体系。

在结构材料及功能材料力学的关键领域原创基础研究及解决卡脖子加快整合与并行突破，特别是在新合金及复合材料的设计与发展，3D/4D打印材料与增材制造工艺设计，功能材料（光电子器件、生物医学材料，显示器件，催化）多尺度，多物理（热，电，力磁）耦合的实验与计算方法加大投入，支持发达地区地方政府加大研发投入，支持民营企业成为世界领军企业的材料需求，吸引全球技术人才，让产学研有机互动。

在航空、航天、先进制造、生物医药、通讯电子等关键材料领域大幅度降低对外的依赖度，为中国发展提供最有力的技术支持，使中国在下一轮竞争者中胜出。

七、文献

文献链接：

1、https://www.nature.com/articles/nature21691

2、https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aat0641

3、https://www.nature.com/articles/s41467-019-13087-4

4、https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000385

5、https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202101586

课题组简介：

https://www.cityu.edu.hk/mne/jianlu/

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