纳米结构金属材料是现代纳米科学的热门研究领域。材料分析技术极大的促进了（如像差校正透射电子显微镜和三维原子探针断层成像）纳米结构金属材料中相的精细调控。相尺寸、相分布和相变的设计可以调控纳米结构金属材料的变形行为和电子结构，进而成为改变材料物理化学性质的重要手段，例如由超纳双相玻璃-晶体结构实现的近理论强度，具有特定相构型的图灵催化剂所展现的稳定催化，以及纳米材料的非常规相变。这些进展让材料科学家认识到相工程在材料设计过程中的重要性，相工程也为高性能金属材料的开发提供了新的思路与科学启示。



近日，香港城市大学的吕坚院士团队对纳米结构金属材料的异质纳米相工程进行了全面概述，包括超纳双相材料、纳米沉淀强化材料和纳米孪晶强化材料。作者回顾了形成超纳双相结构的热力学和动力学原理，讨论了超纳双相金属材料的变形机制以及针对电催化的电子结构优化。随后，作者阐述了具有密集纳米沉淀或纳米孪晶结构特征的金属材料的起源、分类以及机械和功能特性。总结了这个领域的一些潜在研究挑战，并分析了相工程对下一代金属材料设计的影响。
要点一：超纳双相材料



纳米尺度已被证明是在设计微观结构和组织相时打破宏观/微观限制并提升材料性能的一个维度自由度。随着纳米材料领域的巨大进步和纳米材料库的丰富，许多新效应和新现象得到了广泛的报道，例如反Hall-Petch关系和量子隧道效应。这些发现表明，尺寸在1到100纳米的结构/相具有本质上不同的物理化学特性，这也激发了科学家对进一步细分纳米材料的兴趣。2017年，吕坚院士提出了超纳概念，定义了结构/相尺寸在1到10纳米范围内的材料。超纳材料的超细结构单元，会影响整个材料的短程和中程序结构，并可以通过相工程以可控的方式进行操纵。通过超纳结构设计，已经实现了许多非凡的性能，如近理论强度（3.3 GPa）的超纳双相（SNDP）玻璃-晶体镁合金，近理论硬度（10.8 GPa）的层状超纳双相Zr/Nb合金和高活性Al-Mn-Ru催化剂。这些新发现表明，具有原子配位的超纳结构呈现明显的多相交互作用和界面效应，可以实现高强度/大延性以及优异的催化性能，因此是纳米结构金属材料相工程的新范例。
高性能电催化剂的研发是可再生能源转化和利用的关键。电催化剂的催化活性和耐久性取决于其相组成、晶体缺陷和形态等因素。超纳双相材料是一种新型的纳米结构催化剂，具有丰富的异质组成相和界面，可作为潜在的催化活性位点；其的纳米结构可以调整并优化催化剂表面与反应中间体的吸附/脱附能。超纳双相纳米结构的设计已被证实是提高HER、OER催化活性的有效策略。实验和模拟揭示了异质相界面是加速水解离和电子转移的活性位点，也证实了超纳双相催化剂具有极高的催化剂效率与稳定性。因此，超纳双相纳米材料的催化应用引起了广泛关注，将会是未来催化剂研究热点领域之一。



超纳双相结构是调整纳米催化剂结构和性能的新结构模式。除了异质相的调控，相的拓扑结构是相工程中的另一个基本特征。2023年，吕坚院士团队报道了一种具有特定相构型的新型纳米催化剂：图灵催化剂。PtNiNb图灵催化剂具有超纳尺寸的图灵结构，这一类图灵花样在化学和生物系统中被广泛观察与研究（图10a）。这种特殊的相构型具有高密度的纳米孪晶和大晶格应变。图灵催化剂具有本征稳定的纳米孪晶网络，在大电流密度（1000 mA/cm²）下表现出优异的HER活性和稳定性。这项工作极大的扩展了相工程的范畴，图灵催化剂的概念亦可作为调整相的拓扑结构来设计高性能电催化剂的新范例。
要点二：纳米沉淀强化材料



金属结构材料中引入高密度的纳米析出相是设计高性能工程结构材料的一种有效的相工程策略。这是因为纳米析出相能够有效地阻碍位错运动，从而实现了高水平的强化效果。自20世纪初在铝合金中发现纳米沉淀强化以来，这一策略已被广泛应用于多种结构合金，包括镁合金、钛合金、钢和高温合金。近年来，基于等摩尔比或近等摩尔比多组元混合的高熵合金新合金设计理念受到学者的广泛关注。特别是，多组元的特性以及高熵合金中元素的迟滞扩散效应，为形成细小稳定的纳米析出相提供了机会，也有望将纳米沉淀强化推向新的高度。在大多数情况下，沉淀强化增加了合金的强度，但降低了塑性。这种“强度-塑性”的制约关系仍是目前纳米沉淀强化面临的主要问题。近的实验结果表明，这种制约关系在很大程度上会受到析出相的特性（如沉淀物结构、尺寸、形状、体积分数、与基体的共格关系以及分布等）的影响。通过精细调控析出相的这些特性，有望获得高强度高塑性甚至一些优异功能特性的金属结构材料。
在该综述文章中，我们将介绍析出相的一些特性（析出相尺寸、与基体共格关系以及析出相的分布等）如何影响金属结构材料的强塑性匹配。特别强调了高密度共格纳米析出相是强韧化金属结构材料的有效手段，将为纳米沉淀强化合金的研究和设计提供有益的指导。紧接着我们介绍了不同类型的纳米析出相，包括双功能纳米析出相、多级结构纳米析出相、层状纳米析出相、核壳结构纳米析出相，对合金强塑性匹配的影响。这些不同类型的析出相强有望为合金材料的强韧化设计提供新的启发。我们总结了共格纳米析出相策略对金属结构材料的一些功能特性带来的显著提升作用。总而言之，共格纳米析出相在各种合金系统中的开发正在对一系列材料性能和应用产生变革性影响，也凸显了它们作为未来材料工程和设计的关键工具的潜力。
要点三：纳米孪晶强化材料



纳米结构金属材料中另一种有效的结构相工程策略是构筑高密度纳米孪晶结构。纳米孪晶结构材料具有优异的综合性能，包括超高强度和硬度、良好的塑性、优异的抗疲劳性能、高热稳定性和高电导率等。这些优异综合性能源于孪晶界的两个主要特性：共格对称和晶界能；前者导致位错-孪晶界反应-孪晶界不仅阻碍位错运动，导致强化，而且还能够容纳位错在孪晶界上以及孪晶片层内滑移和积累，从而减弱塑性的损失。孪晶界的低能特性则导致了纳米孪晶结构相比普通纳米晶具有极高的热稳定性。比如，磁控溅射制备的柱状纳米孪晶铜薄膜即使在 800℃ (0.8 T_m)退火后纳米孪晶结构依然稳定存在。此外，纳米孪晶结构可以显着强化和稳定非金属材料，如硅、金刚石和立方氮化硼。在半导体纳米线中引入纳米孪晶结构也会导致其光学和电子性能方面的提升。纳米孪晶结构的上述特征表明其在高性能结构工程、量子光学、微纳米器件和微机电系统等各种材料领域具有广阔的应用前景。


在该综述文章中，我们将介绍一下目前纳米孪晶结构材料研究的新进展：1)如何实现极小孪晶片层厚度下的持续强化从而获得超高强度？2)构筑梯度纳米孪晶结构和多级纳米孪晶结构提升强塑性匹配；3）高层错能金属中高密度纳米孪晶结构的制备。我们对纳米孪晶结构的研究进行了简单的展望。