文 | 《中國科學報》記者 張晴丹
已經不知道失敗多少次了！楊堯再次把制造出的高熵合金納米顆粒放到3毫米寬、6納米薄的基底上，他的目的是采集納米粒子中每個原子的三維影像。每一次旋轉樣品時都“步步驚心”——這些顆粒一旦損壞分毫，就失去了意義。
就這樣小心翼翼、日復一日地測試參數、拍攝，用了3年才采集完所有數據。盡管成功率很低，但癡迷于探索納米世界的楊堯一次也沒有想過放棄。
讀博時已手握兩篇Nature的他，近日再度以第一作者身份在Nature發表論文，讓跨越6年的研究終于畫上完美的句號。這一次，他與合作者使用先進的成像技術，首次繪制出中熵合金、高熵合金納米顆粒的三維原子位置，并解析結構和性能之間的關系，為創造新型合金打開了新世界的大門。
在外“打磨”科研能力7年后，他選擇回國效力，全職加入西湖大學工學院，成為一名獨立PI，帶著朝氣蓬勃的年輕隊伍繼續馳騁在科學的浩瀚中。
楊堯
零的突破：更好地指導下一代合金
人類文明的進步與新型材料的不斷發明關系緊密，而合金在我們的生活中幾乎無處不在。
合金是由兩種或多種金屬元素結合而成的材料。以鋼為例，它是現代生活的基礎之一，是建筑物、交通工具、電子產品、家用電器等必不可少的組成部分。
然而合金并不完美，它存在著和大多數材料相同的限制：堅硬的合金在應力作用下往往容易變脆并斷裂，而柔韌的合金在應力作用下則容易凹陷。也就是說，想制造出硬度高又韌性好的合金幾乎是不可能的。
不過，科學的本質就是挑戰不可能。大約20年前，合金材料界殺出一匹“黑馬”——中熵合金和高熵合金，打破了這個僵局。這種高性能材料同時結合了硬度和柔韌度，讓金屬材料擁有了更多不可思議的可能性，在航天、國防、核能等領域都有很大的發展潛力，因此也被稱為“下一代合金”。
傳統的合金主要是一種“主角”金屬與較低比例的其他金屬混合，例如不銹鋼，鐵的含量可以達到四分之三或更多。而中熵合金以大致相等的數量結合三種或四種金屬；高熵合金以同樣的方式結合五種或更多金屬。
正因為這種“一鍋大亂燉”，中熵合金和高熵合金里面的化學成分非常多，而且元素分布非常無序，內部原子的位置極度混亂，使得這種材料的一些性質不好控制。這個問題困擾科學界久矣。
為什么要關注每個原子的位置？因為改變其中原子的位置，就可能改變該材料的屬性。“我們就想摸清中熵合金和高熵合金內部的元素分布，并解析結構和性能之間的關系。”楊堯在接受《中國科學報》采訪時表示。
高熵合金納米顆粒
他們使用一系列金屬制造納米顆粒，納米顆粒非常小，可以用十億分之一米來測量。其中，6個中熵合金納米顆粒結合了鎳、鈀和鉑；4個高熵合金納米顆粒結合了鈷、鎳、釕、銠、鈀、銀、銥和鉑。
合成這類合金何其困難。研究人員在超過2000華氏度的溫度下將金屬液化，時間為百分之五秒，然后在不到十分之一秒的時間內將其冷卻。這項技術由美國馬里蘭大學教授胡良兵團隊負責完成。
楊堯再通過基于原子分辨率的電子三維重構法，探究納米顆粒里所有原子的位置以及化學元素的分布。“由于其體系比較復雜，就使實驗操作起來非常麻煩。”
要看清楚原子的三維結構，對分辨率要求極高。楊堯采用了美國加州大學洛杉磯分校物理系教授繆建偉開發的一種名為原子電子斷層成像技術（AET），先是用透射電子顯微鏡（TEM）對納米顆粒進行多角度拍攝，再通過計算機重構三維原子結構。
三維原子成像原理
在前期采集圖像時，楊堯吃盡了苦頭。在采集的過程中，有些納米顆粒很容易損壞，所以需要格外小心。為了保證每一張圖像的質量，楊堯和合作者前前后后花了許多工夫調試參數。他們從2018年開始采集數據，失敗了上百次，用了3年時間才完成。
結合數據處理和三維重構算法，研究團隊首次繪制了中高熵合金納米顆粒的三維原子結構，并首次直接觀察到其三維原子序。
在對結構進行分析時，他們聚焦到一種被稱為孿晶界的結構缺陷，可能是中高熵合金能兼具硬度和柔韌的關鍵因素。“我們首次在實驗中觀察到孿晶界的形成與元素分布有關系。”楊堯介紹。
這項研究為中高熵合金的未來發展提供了新視角。從此，科研人員跳出傳統合金材料的桎梏，可以在金屬材料創制上有更多的“天馬行空”。
做實驗成了最大愛好
從小自律的楊堯，是父母和親戚眼中非常省心的孩子。當年高考他以優異的成績躋身清華大學，成為材料系的一員。彼時，他對納米研究萌生濃厚的興趣，“微觀世界太吸引我了！你可以通過操縱原子的位置，從而改變材料定制的方式，這很有意思”。
一次機緣巧合，楊堯發現了一個非常有意思的課題組——繆建偉實驗室。繆建偉在三維衍射顯微領域做了許多開創性的工作，網上對于這位“大牛”的履歷介紹更是令楊堯心馳神往，尤其是這個實驗室能夠做原子級別的三維重構，讓他覺得非常酷炫。
2015年本科畢業后，楊堯申請到加州大學洛杉磯分校讀博，終于得償所愿加入繆建偉實驗室。這是一個疾馳前進、碩果累累的科研團隊。初來乍到的楊堯感受到了自身的差距。
看著自己稍顯單薄的知識“家底”，楊堯決定瘋狂“惡補”。“以前學的東西簡直九牛一毛，基本上算是重新開始。我需要快速掌握統計學、重構算法、數據分析等知識。”于是，讀博初期，圖書館、自習室總能覓得他翻閱書本、專心致志的身影。
積累了很扎實的知識基礎，楊堯開始腳踏實地做科研。站在這樣一艘實力雄厚的大船上，他的實驗操作能力和實驗技巧進步飛速。做實驗成了他最大愛好，讀博時的大部分時間都泡在實驗室里。后來在繆建偉實驗室繼續做博士后工作時，他對實驗的癡迷更甚。
那時候，他主要做電鏡的實驗，與合作伙伴要在勞倫斯伯克利國家實驗室完成大部分數據采集工作。勞倫斯伯克利國家實驗室位于伯克利的一座山上。與楊堯讀博時所在的洛杉磯不同，這里人跡罕至，山上也比較荒涼，實驗室非常偏僻，而每天的工作只有做實驗。
“那是我最喜歡的一段靜謐時光。尤其是晚上做完實驗的時候，在山上望著山下建筑物里的燈光，很愜意。每天不用想別的，只專注于做科研。當腦子里雜七雜八的事情都被拋出去，全身心投入到實驗上時，我感受到了前所未有的放松。哪怕每天從早上八點忙到晚上十一二點，也還是干勁十足，覺得一切都很充實且有意義。”楊堯說。
楊堯在勞倫斯伯克利國家實驗室拍的山下風景
現在，授課、搭建實驗室、申請課題、指導學生……楊堯每天忙得團團轉，他時常憶起那段在山上心無旁騖、全身心投入科研的歲月，心中有些許悵然。
嚴師出高徒，追求科研品味
在楊堯的學術生涯里，繆建偉對他的影響最大。
“科研對繆老師來說是最重要的一部分，他對待科研非常嚴謹，或者說一絲不茍。他十分追求‘科研品味’，要求你做的研究有意義，每一個東西都能有跡可循，無論多細枝末節都得弄清楚講明白。可以說我很多的科研習慣都源自于繆老師。”楊堯表示。
究竟有多嚴謹呢？在繆建偉組里的每一個項目都會經歷“Double check”。
“我在組里做的第二個項目是跟另外一個博士后同時進行。同樣的項目，倆人完全分開做去解決同一個問題。我們分別用了兩套完全不一樣的算法，最終要得到同一個值。”楊堯介紹，“Double check”訓練非常磨煉人，他們做了幾個月，就為了讓兩套算法能得到一個值。起初倆人算出來的東西無論如何都不一樣，他們又無數次地改變邏輯、改寫代碼、調整結構，才最終成功。
楊堯
從同一個起點出發，分別走兩條不同的路線，最后到達同一個終點。能經受得住“Double check”考驗的科研成果，其含金量可想而知，也必定能經得起時間的檢驗。“哪怕經過了百年之后，它也同樣還是一個好作品。”這就是繆建偉所要達到的效果。
繆建偉常對學生強調三個“P”理念：Passionate、Persistent以及Persuasive。在該理念的熏陶下，楊堯也對自己有了更高要求。他把所有精力傾注在科研上，取得了不錯的收獲——在讀博期間發表了兩篇Nature，并且是其中一篇文章的第一作者。
2022年10月，楊堯結束了博士后工作，回國全職加入西湖大學工學院，建立了自己的實驗室，目前已有2名博士后和4名博士。他給每個學生都安排一個獨立的項目，為的就是鍛煉他們各方面的能力。他的辦公室和實驗室相連。除了關注科研進展外，他也經常與學生交流，關心和了解他們的心理狀態。
“學校的科研氛圍很好，大家都充滿熱情和活力。而且我有好多校友也在這里任職，今后我們可以開展多方面合作。我對未來充滿期待。”楊堯說。
*文中圖片均由受訪者提供
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06785-z
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