深入原子世界，他在寻找材料失效的原因

在未来的核反应堆、聚变装置以及其他新型能源和交通系统中，材料面对的往往不只是一种考验。高温、腐蚀、辐照和剧烈的机械载荷可能同时或先后作用，改变材料内部的原子排列，并推动各种微观缺陷不断产生、迁移和聚集。

材料在宏观上表现出的腐蚀、变形和开裂，并不是孤立发生的现象。它们往往源于许多肉眼不可见的微观过程。要真正理解一块材料为什么会表现出某种性能、又为什么会在极端环境下逐渐失效，就需要把视线从最终出现的裂纹和孔洞，一路追溯到纳米乃至原子尺度。

杨洋所做的，正是为这些微观过程寻找直接而定量的证据，弄清原子排列和缺陷如何演化，以及这些变化怎样最终影响材料的宏观性能。

杨洋是美国宾夕法尼亚州立大学副教授，入选 2025 年度《麻省理工科技评论》中国区“35 岁以下科技创新 35 人”。他的研究长期关注材料在腐蚀、辐照和力学载荷等极端环境下的结构演变，并利用原位透射电子显微镜、四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）和三维重构等技术，尝试把过去难以观察和定量的微观过程转变成可以测量、分析和理解的信息。

他常把自己和团队的工作概括成两种角色。

一方面，他们像“原子世界的摄影师”，给材料拍照片、录视频，记录微观结构和缺陷如何变化；另一方面，他们也是“相机工具的工程师”，不断开发新的显微方法，让过去看不见的结构变得可见，让过去只能定性描述的现象变得可以定量分析。

但这些工作的最终目的，并不是获得一张更清楚、更漂亮的原子照片。

他们真正想回答的是：材料为什么会表现出这样的性能？极端环境又是如何改变它的？

从教室里的空座位说起

要理解杨洋在研究什么，可以先从一个看似简单的概念说起：空位。

在这次访谈中，杨洋把晶体材料比作一间坐满学生的教室。每个学生相当于一个原子，每个座位相当于晶格中原本属于原子的位置。如果有一个学生没有来，座位空了下来，这个“空座位”就类似于材料中的一个空位。

空位听起来像一种“缺陷”，但它并不意味着材料出了问题。从热力学角度看，在一定温度下，真实材料中本来就会存在一定数量的空位。一个绝对完美、一个空位都没有的理想晶体，反而并不是有限温度下最稳定的状态。

真正重要的是，这些空位有多少、在哪里，以及它们会怎么运动。在极端环境中，空位的数量和分布可能发生显著变化。例如，高能辐射可以把原子从原来的晶格位置撞开；腐蚀可能使某些元素优先从材料中溶解；高温则能够加快原子的扩散和缺陷的迁移。

单个空位只有一个原子的尺度，但当大量空位不断产生、迁移甚至聚集时，它们就可能影响元素扩散、局部变形、孔洞形成以及材料的强度和耐腐蚀性能。

长期以来，困难并不在于科学家不知道空位重要，而在于很难知道它们究竟在哪里。

还是回到那间教室。传统的一些方法，可以告诉你这个班平均有几名学生缺席，却很难告诉你究竟是哪几个座位空着，更不知道这些空座位是均匀分散在教室里，还是集中在某一排、某一个角落。

而这两种情况，对于材料来说可能意味着完全不同的事情。杨洋和合作者希望做的，就是把这种“全班平均值”，进一步变成一张具有空间分辨率的“座位分布图”。为此，他们使用了一种名为四维扫描透射电子显微镜的技术，也就是 4D-STEM。

所谓“四维”，并不是说它多出了一个时间维度，而是因为电子束会在样品的二维平面上逐点扫描，同时在每一个扫描位置记录一幅二维电子衍射图样。

电子束穿过材料以后会发生散射，而散射图样中包含着原子排列和晶格结构的信息。原子的间距、局部应变、化学成分甚至某些缺陷发生变化时，这些图样也会随之发生非常细微的变化。

不过，这并不意味着显微镜可以直接把一个空位像拍篮球一样拍摄出来。杨洋和合作者所做的，是把 4D-STEM 测得的晶格变化与元素分布、理论模型以及密度泛函理论计算结合起来，从多个维度的信息中反推出局部空位的浓度。

这样一来，过去只能得到一个较大区域内的平均空位含量，现在则有机会进一步看到它在纳米尺度上的空间分布，空间分辨率提高了十万倍以上。这就像过去只能知道一个城市的平均人口密度，现在开始能够进一步区分，人口究竟集中在哪些街区。

在对高温熔盐腐蚀后的镍铬合金进行研究时，杨洋和合作者发现，一些发生元素贫化和晶界迁移的区域存在明显的空位过饱和，而且不同位置的空位浓度差别很大。

这意味着人们可以开始问一些过去很难直接回答的问题：为什么空位会集中在这里？它们和周围的化学成分、晶界结构有什么关系？这些空位接下来又可能演化成什么？对于杨洋来说，这正是显微技术真正有意义的地方。不是简单地“看见一个缺陷”，而是借助这些信息，开始理解一个微观机制。

金属里面的“虫洞”

空位并不会永远停留在原地。在某些腐蚀过程中，大量非平衡空位的产生、迁移和聚集，可能进一步参与孔洞和腐蚀通道的形成。杨洋和合作者曾研究镍铬合金在高温熔盐环境中的腐蚀。熔盐是一些先进核能和高温能源系统中非常重要的介质，但与此同时，它也会对结构材料提出严苛的耐腐蚀要求。

在实验中，杨洋等人观察到了一种很特别的腐蚀形貌。人们熟悉的局部腐蚀，例如点蚀，往往会形成一个逐渐向四周扩展的腐蚀坑；而晶间腐蚀通常会沿着两个晶粒之间的晶界区域发展。但杨洋等人看到的并不是这种形态。

熔盐没有均匀地侵蚀整个晶界，也没有在表面留下一个不断扩大的大坑，而是局限在金属内部的晶界网络中，沿着晶界里的某些极窄路径向材料深处延伸，形成高长宽比的通道。杨洋和麻省理工的合作者周伟跃博士共同发现了这个奇特的腐蚀现象，并把这种腐蚀形貌命名为“一维虫洞腐蚀”。

这里的“一维”，并不是说通道在数学意义上只有一个维度，而是强调腐蚀被限制在非常狭窄的路径中，并主要沿着材料深度方向向前延伸。

从三维结构上看，它更像是隐藏在金属晶界内部的一套毛细血管或者隧道网络。这种结构在二维截面上尤其容易被误解。如果把材料切开，只看一张普通的二维截面图，人们往往只能看到沿晶界分布的一个个零散小孔；这些小孔看起来彼此分离，也并不会表现成一条连续的孔洞沿着整条晶界展开。因此，仅凭二维截面，很容易把它们理解成一些相互独立的孔洞。

但杨洋和合作者通过聚焦离子束连续切片和电子显微镜三维重构发现，这些二维截面中的“小点”，实际上可能属于同一条弯曲而连续的隧道。也就是说，二维里看起来互不相干的缺陷，在三维空间中可能是一套连通的腐蚀网络。

这件事情的重要性就在这里。先进电子显微镜技术不仅让研究人员“看到”了以前难以识别的结构，也改变了他们对腐蚀路径的理解。

这些虫洞究竟是怎样形成的？在镍铬合金和熔盐发生反应时，铬原子会被优先溶解。原子离开晶格以后，会在材料中留下大量非平衡空位。与此同时，元素扩散以及晶界的迁移又会不断重新分配这些空位。

在某些位置，空位可能大量累积，进一步促进孔洞形核。孔洞一旦形成并与熔盐接触，腐蚀介质又可以继续沿着这些通道向材料内部推进。

因此，一维虫洞腐蚀并不是一个简单的“原子被溶掉以后留下一个洞”的过程。它背后涉及元素选择性溶解、空位产生与迁移、晶界运动、孔洞形成以及熔盐渗入等多个过程之间的耦合。

这项工作的意义，也不只是发现了一种新的腐蚀形貌。更重要的是，当研究人员知道这种通道为什么产生、沿着什么结构传播、哪些微观因素会促进它形成之后，就有机会进一步思考：

是否能够通过调整合金成分或者加工工艺，让这种腐蚀路径更难形成？这正体现了杨洋研究的一条核心思路：从微观结构和缺陷演化出发，理解材料失效背后的机制，再把这些认识用于材料的评价和优化。

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

原子也有“朋友圈”

如果说空位和虫洞腐蚀讲的是材料怎样在极端环境中发生损伤，那么杨洋的另一类研究，则试图回答一个看似相反的问题：

为什么有些材料能够表现出异常优异的性能？

多主元合金就是他关注的一类材料。

传统合金通常以一种元素为主体，再加入少量其他元素来调节性能。比如钢以铁为主要成分，再加入碳以及其他合金元素。

杨洋曾把这些少量加入的元素比作“调味料”。

而多主元合金采用了完全不同的设计思路。

它会把几种主要元素按照相近的比例混合在一起，每一种都不再只是少量添加剂，而是材料的重要组成部分。

在这次访谈中，杨洋继续使用“教室”的比喻来解释，这就像把几个不同班级的学生打散，再重新安排进同一间教室，而且每个班来的人数都差不多。

最简单的假设是，这些学生完全随机落座。

对于合金来说，也就是说不同种类的原子完全随机地占据晶格位置。

但真实情况往往没有这么简单。

不同元素具有不同的原子尺寸、化学相互作用和电子结构，因此它们并不一定愿意完全随机地和其他原子做邻居。

杨洋曾举过一个很直观的例子。

假设体育班的学生普遍个子比较大，如果所有体育班学生都挤在一起，可能会觉得过于拥挤，于是他们可能更倾向于和其他班级的学生交错坐在一起。

当然，真实的原子并没有“喜欢”或者“不喜欢”这样的情绪。

这个比喻只是想说明：不同原子之间存在不同的相互作用，因此在很短的距离范围内，它们可能表现出一定的邻近偏好。

这种只在一两个或几个原子间距范围内存在的非随机排列，被称为化学短程有序。

它不像普通晶体结构那样形成覆盖整个材料的长程周期，但它可能影响晶体缺陷的运动、局部变形以及材料的力学和物理性能。

围绕短程有序，学界长期存在一个问题：理论计算往往预测它会显著影响多主元合金的力学性能，但一些实验却没有观察到预期中的明显差别。

这里一个很关键的假设，是快速凝固出来的材料应该接近完全随机，因为原子没有足够时间去寻找自己偏好的邻居。

杨洋在访谈中用另一个教室场景解释了这个想法：假设先让教室里的学生全部站起来。如果给他们足够长的时间再坐下，大家可以先四处寻找自己喜欢的伙伴，然后选择坐在旁边；但如果把所有人的位置迅速打乱，紧接着马上要求所有人坐下，而且这个过程快到大家根本来不及寻找喜欢的邻居，那么最后的座位安排就应该更接近随机。按照过去的直觉，极快的冷却就应该对应后一种情况——原子还来不及重新排列，液体便已经凝固。

但杨洋和加州大学尔湾分校 Penghui Cao 教授等合作者发现，真实的凝固过程比这个直觉更有意思。实验和原子模拟表明，即使冷却速度极高，原子仍然可能在液体转变为固体的凝固前沿迅速找到偏好的邻居。

原因在于，原子不需要等到整个材料都凝固以后再重新寻找位置；就在固液界面向前推进的极短时间窗口里，液体中的原子仍然具有足够快的局部扩散能力，可以完成一定程度的重新排列。

也就是说，即使“老师很快就喊了坐下”，原子在真正被固定到晶格位置之前，仍可能利用最后那一点时间找到更偏好的邻居。由此形成的短程有序，在材料刚刚凝固时就可能已经相当明显。

这一发现改变的并不是“短程有序是否一定能让材料变强”这个结论，而是过去很多实验比较的前提。如果快速凝固样品本身已经具有明显的短程有序，那么再把它与后续退火样品比较，二者的有序程度可能并没有人们想象中那么大的差别，自然也很难仅凭力学性能的差异判断短程有序究竟起了多大作用。

这使问题进一步变成：怎样真正调控短程有序的程度？又怎样在其他因素尽量保持一致的情况下，定量建立这种原子排列与材料性能之间的关系？

（来源：杨洋、韩英）

从“看见”走向“理解”

空位、虫洞腐蚀和短程有序，看起来是三个不同的故事。空位是晶体中缺少了一个原子；虫洞腐蚀是腐蚀、扩散和缺陷演化共同作用后形成的隐蔽通道；短程有序则不是材料“少了什么”，而是不同原子选择怎样彼此相邻。但它们背后其实指向同一个问题：材料宏观上表现出的强度、韧性、腐蚀和失效，究竟是怎样从微观结构和原子尺度的变化中产生的？

这也是杨洋试图长期回答的问题。在他的研究中，先进电子显微技术并不是终点，而是一种寻找机制证据的工具。他和团队一方面利用原位透射电子显微镜、4D-STEM 以及三维重构等技术，观察和测量材料在不同环境中的结构变化；另一方面结合理论计算和数据分析，把显微镜记录到的信号进一步转化为关于缺陷、应变、元素分布和原子排列的定量信息。

杨洋希望建立的，是一条从原子尺度一直连接到宏观性能的链条：原子怎样排列，缺陷怎样产生，缺陷怎样迁移和聚集，这些变化又怎样共同决定材料最后表现出来的性能。这种认识对于极端环境材料尤其重要。

从先进核能和未来聚变装置，到航空航天、高温能源系统以及氢能相关装备，越来越多的新技术正在把材料推向更高的温度、更复杂的化学环境、更强的辐照和更大的机械载荷。

在这些条件下，仅仅知道一种材料“能不能用”还远远不够。人们还需要理解：为什么它能用？为什么另一种材料不行？哪个微观结构真正决定了性能？改变成分或者加工方法之后，材料内部又发生了什么？

只有当这些问题逐渐被回答，材料设计才可能从大量经验试错，进一步走向更加机制驱动的评价和优化。

对于杨洋来说，“看见原子”从来不是故事的终点。真正重要的是通过这些微观证据，读懂材料。

参考资料：

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)

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