“強柔并濟”的新金屬材料，來了！

“重大的技術創新高度依賴于基礎研究的重大突破，但這些突破不會一蹴而就，需要全社會對科學家給予更大的耐心和自由。”2017年9月24日，時任西安交通大學前沿科學技術研究院院長任曉兵在浦江創新論壇上發表演講時說出了這句話。彼時，任曉兵還在思考團隊的研究成果“應變玻璃態合金”如何應用于新材料研發中。

7年后，任曉兵和團隊終于向前邁進了一大步，“應變玻璃”的應用開始駛入快車道。團隊成功研發出的一種可規模生產的金屬合金，突破了長期以來高柔性和高強度不可兼得的原理性瓶頸，實現了兼具高分子材料的超高柔性和超高強度鋼的超高強度。相關研究成果于9月4日在線發表在《自然》。

“既強且柔”的新材料

一直以來，金屬材料領域的科學家們都有一個共同的愿望，就是找到一種接近于“完美”的新材料，既能擁有像鋼一樣的高強度，又能像塑料一樣的柔韌，做到“魚與熊掌兼得”。

讓這樣兩種矛盾的特性集中在一起，聽起來似乎不太可能。如今要做到“強”已非難事，任曉兵介紹說：“過去一個世紀以來，已經研發了大量的足夠強的材料，比如高強度鋼、超高強度鋼等。這一類材料已經能做到讓它足夠強。”

然而這類高強度材料面臨的最大難點是無法在強的同時還能表現出像橡膠或塑料一樣的柔性。比如一根鋼筋，要拉斷它很困難，因此很強，但更困難的是要讓它保持這個高強度的同時還能像塑料一樣任意彎曲。

與上述高強度但低柔性相對的另一極，又是另外一番景象。家里的高分子塑料制品，如玩具塑料彈簧及塑料救生圈等，是可以輕易產生大的彈性變形，但卻很容易發生斷裂或破裂，這是因為它的強度不夠，足夠柔，但不夠強。

科技的發展，向材料應用提出了新要求。隨著未來金屬材料的應用領域越來越廣泛，很多場景都需要用到這種“既強且柔”的材料。“比如變形飛機、航空航天飛行器以及機器人的人工肌肉。”

任曉兵用飛行器舉例說，飛行器在起飛或者著陸時需要把機翼展開，讓它產生足夠的升力，高速飛行時需要把盡量機翼收起來以減少空氣阻力，這需要機翼材料具有足夠的柔性。“就像鳥在起飛和高速飛行時使用不同的翼展的原理類似。但是飛行器會以幾倍于音速進行高速飛行，機身突出部分比如機翼所承受的力是巨大的，材料強度不足的話，機翼就會被撕裂；因此需要既強且柔的材料。”

在科幻電影中，常常看到未來世界的超級機器人用拳頭打穿墻的場景，這個力量的來源就是超強的人工肌肉纖維。但要在現實中做到這一點其實很難，用高分子材料制作的人工肌肉纖維強度不夠高，用普通金屬制作又因為柔性不足而無法實現。

“還有比如我們的人體器官等等這些未來科技領域，都在呼喚著一種能結合強和柔兩種特點的新材料出現。科學家們的想象已經伸展到廣闊的境界，如果能有這樣一種又柔又強的材料出現，這些未來科技就都有實現的可能。”任曉兵說。

利用“拔絲紅薯”解決難點

從科學角度來說，強和柔這兩種性質是矛盾的，無法同時出現在同一塊物體上。任曉兵分析說，從原子尺度來看，原子鍵越強，材料強度也會越強，但如果要讓這種原子鍵很強的材料產生一種柔軟的性質，就很困難了。“原子鍵類似于連接原子的超微型彈簧，強的原子鍵相當于這個彈簧很剛性，因此破壞這個彈簧所需要的力是很大的，即強度高；但這個剛性的彈簧自然不易變形，因此理論上無法在高強度的同時實現高柔性。這就是一直以來的瓶頸。”

但任曉兵不信這個邪，他和團隊在這個領域已經耕耘了二十多年，過往的一系列成果，讓他的團隊對發現這種“來自未來”的材料充滿信心。

2005年，任曉兵率領研究團隊在世界上首次發現一類奇特的“應變玻璃態合金”。 這一發現是物理原理上的一個突破，有可能帶來全新性能的新材料。近年來，任曉兵提出的應變玻璃概念正在形成形狀記憶合金和馬氏體材料領域的一個新生長點和熱點，并引發了國際科技巨頭的跟蹤研究。2009年，任曉兵團隊還發現了世界上首例壓電性能超越統治了全世界50余年的“壓電之王”PZT的無鉛壓電陶瓷材料，并意識到其中的物理原理可以用于金屬材料。

基于二十余年來團隊在鐵性玻璃、高性能無鉛壓電材料等方向的研究經驗，任曉兵覺得，這種“既強且柔”的材料如今已經呼之欲出，便開始著手進行這方面的研究和實驗。

出于今后商用的考慮，團隊選擇了“滿大街都能買到的”一種鎳鈦合金來作為基礎材料。這種材料的金屬鍵與鋼類似，具有成為高強度材料的潛質。

隨后，任曉兵團隊的博士生徐治志和其他研究人員開始把“應變玻璃”原理應用在這種鎳鈦合金上，看能否發現一些新現象。

任曉兵把“應變玻璃態合金”比作生活中的一道美食“拔絲紅薯”，他告訴學生：“拔絲紅薯很像我們正在研究的應變玻璃，因為粘稠態的糖與應變玻璃在物理性質上是一樣的，糖在融化過程中沒有明確的凝固點，而是在一個寬溫域下逐漸硬化。”從微觀來看，這個過程中的平均結構沒有變化，在高溫下可以發生無序流動。

發現“應變玻璃”之后，團隊科研人員一直在思考這個現象能干什么。雖然當時沒想明白，但是團隊沒有停止探索，“我們相信它一定會有用”。

終于，在一次偶然的實驗中，徐治志通過一種特殊的工藝手段，發現了讓這種高強度材料顯示出奇異的超低模量的方法，體現出超柔的性質，并且依然保持了超越超高強度鋼的強度，神奇的“既強且柔”合金出現了！

任曉兵將這種方法稱為“可規模生產的三步熱機械處理工藝”。實驗中先對基礎材料進行強力拉伸，隨后進行退火，在此過程中再種進兩種馬氏體的“種子”，最后形成的材料就可以同時獲得強和柔兩種性質。

一場“意外的驚喜”

一般來說，高強度材料如高強度鋼的強度高于1GPa，但其柔性很低，彈性模量或剛度系數高達200GPa。而高分子材料正相反，柔性很高，彈性模量可以低至10GPa或更低，但其強度也很低，大多低于0.2GPa。在團隊之前的探索中，徐志治已經將高強度材料的彈性模量做到了低至30GPa，同時強度保持在1GPa以上。“30 GPa比鋼已經要柔了很多，但要實際應用還不夠柔，我們這次將它做到了10GPa.”任曉兵說。

任曉兵認為，團隊這次發現的金屬合金有幾個優點，首先是基礎合金很普遍，其次技術工藝對于工廠來說也并不難，適合大規模量產。“強柔并濟”的特性還能夠在-80℃到+80℃的寬溫域內保持，在大應變下仍具有出色的抗疲勞特性。這些特性對于變形飛行器及機器人等需要在寬溫域下工作且需經歷反復的大變形的應用是至關重要的。

說到發現這種金屬合金的過程，任曉兵笑稱其為“意外的驚喜”。論文第一作者徐治志之前將高強度鎳鈦合金的彈性模量做到了低至30 GPa，對任曉兵來說，這屬于意料之內的“常規動作”，是這類材料固有的特性，以前也有類似報道，因此并沒有太多突破，但任曉兵并沒有點破，“因為這樣會打擊學生的積極性。經驗不足的年輕人，往往可以憑著沖勁，有一些意外的發現。”

這一成果的發現也與任曉兵長期以來培養學生的理念不無關系，就是給予學生最大的自主性。并且任曉兵還喜歡將科研中的難題用生活中常見的現象做比喻，用“拔絲紅薯”打比方就是請學生到自己家里吃“忘年餐”時的靈感，一句話使同學們一下子明白了應變玻璃的真諦。

在任曉兵的刻意“隱瞞”下，徐治志并不知道自己其實已經觸摸到了天花板，理論上來說無法再往前更進一步了，他依然采用自己的方法進行進一步的探索實驗。直到某一天，徐治志告訴任曉兵，自己把高強度材料的彈性模量做到了15 GPa，任曉兵幾乎不敢相信，經過檢查后發現實驗過程并沒有問題，“我意識到這一定是全新的機制出現了。”激動之余，任曉兵開始幫助學生重新布置新一輪實驗，工作量瞬間增長到之前的10倍以上，在團隊青年教師紀元超和馬天宇的幫助下，徐治志終于將高強度材料的彈性模量首次做到了10 GPa，并成功地闡明了該奇異性能來源于一種特殊的應變玻璃狀態。

論文投稿后，三位審稿人也都給予了正面評價，原則上都同意發表。讓任曉兵意外的是，一般不對論文表達個人評價觀點的期刊編輯居然也在回信里罕見的使用了“對該論文很感興趣”這樣的主觀詞匯。論文上線后，任曉兵團隊的電話和郵箱就開始忙碌起來，來自國內外材料和航空等各個領域的機構和公司都與團隊取得聯系，想進一步了解這項成果的具體信息。

對任曉兵和團隊來說，之前的“應變玻璃”提出了全新的科學原理，這次的全新金屬合金只是其中的一項工作，在“應變玻璃”這個大領域下還會有更多收獲。“對我們來說這就像10個手指頭，金屬合金只是點到了其中的1個指頭，還有9個指頭的事情要去完成。”任曉兵說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07900-4

團隊研發的合金實現了“強柔并濟”的罕見特性，突破了以往材料（灰色帶中）無法兼具高強度和高柔性的原理性瓶頸。a兼具超高強度鋼的高強度和高分子材料的高柔性；b該合金在受到外力時呈現像高分子材料一樣的巨大彈性變形但同時像高強度鋼一樣的高強度；c該合金的柔度因子（定義為彈性模量與屈服強度之比）為所有工程材料之最大；d該合金的特性（柔而強，右）與對照材料的彈簧鋼（剛而強，左）和高分子復合材料（柔而弱，中）的直觀對比。

工作中的任曉兵。

2010年任曉兵（前排左3）和團隊合影。（圖片均由課題組提供）