世界首創技術為奈米金屬材料拍出3D照片-新華網
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2023 12/04 08:51:18
來源:科技日報

世界首創技術為奈米金屬材料拍出3D照片

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  12月1日,《科學》雜志刊登了重慶大學科學家的重要成果:該校材料科學與工程學院教授、電子顯微鏡中心主任黃曉旭及其團隊,利用自主研發的三維透射電鏡技術,在世界上首次實現對奈米金屬塑性變形的研究,並發現奈米金屬塑性變形後其內部晶體取向可回轉這一反常現象。

  這一重大發現標誌著黃曉旭團隊自主研發的三維透射電鏡技術,經過十多年的發展,正式從原理進入成熟應用階段,實現了奈米材料研究從二維到三維的跨越。

  奈米金屬材料由于強度高、耐磨性好等特點,應用廣泛且影響深遠。不過材料微觀結構的變化與其宏觀性能上的改變之間有什麼樣的因果關係,還有待科學研究去揭示。而傳統的透射電鏡技術,只能觀察材料內部三維結構的二維投影。科學家們一直在尋求一種能夠對奈米材料三維結構進行高精度表徵的新技術。

  黃曉旭團隊長期致力于先進表徵技術和奈米金屬的研究,並在10多年前提出了一種利用透射電子顯微鏡對奈米晶體材料進行直接三維定量表徵的新方法——透射電鏡三維取向重構技術,這一首創性技術的相關原理還在2011年于《科學》雜志上發表。

  “這個技術從理論實現應用,我們用了10年。”黃曉旭説,看似簡單的三維圖像,其實是由幾十萬張透射電鏡照片的晶體取向資訊合成提取獲得。

  為了讓這項技術高效、準確、實用,黃曉旭團隊進行了原創性技術研發,在硬體上研制出電鏡電子光學與圖像採集控制係統,提升了電鏡的高品質數據採集速度;在軟件上開發出高效的數據處理分析和三維重構係統,從而將奈米材料的內部結構從二維圖片變成了三維圖譜。利用這些原創技術,他們成功開發了一係列基于電子衍射的三維透射電鏡技術,其中透射電鏡三維取向重構技術的空間分辨率達1奈米(1奈米相當于百萬分之一毫米)。這些技術填補了奈米級三維取向重構技術的空白,將大大促進三維材料科學的發展。

  “三維透射電鏡技術是我們為研究奈米材料打造的一把稱心如意的劍。”重慶大學材料科學與工程學院教授、電子顯微鏡中心副主任黃天林説,有了這個強有力的工具,就可以對組成奈米材料的各個小晶體進行精確描述。這不僅可為建立微觀結構與性能關係的新理論模型奠定基礎,還能為開發控制和優化奈米材料結構與性能的新途徑提供指導。同時,相比已經在材料科學領域應用的X射線三維表徵技術,透射電鏡三維取向重構技術將空間分辨率從微米級提高到奈米級。

  黃曉旭團隊還利用透射電鏡三維取向重構技術,首次實現對奈米金屬塑性變形研究並發現奈米金屬塑性應變可恢復的反常現象。這一新發現豐富了奈米金屬塑性變形理論,將為先進奈米結構材料研發、奈米材料使役行為的預測和控制,以及微納器件功能優化提供指導。

  “目前,我們準備對三維透射電鏡技術進行成果轉化。”黃曉旭表示,他們計劃將開發的相關硬體和軟件技術有機整合,讓整合後的整合技術能直接安裝到傳統透射電鏡上,賦予傳統透射電鏡三維表徵功能,從而助力汽車制造、航空航太及微電子器件等領域的材料研究。

【糾錯】 【責任編輯:張艷芳】