北京市科学技术委员会

2020年国家自然科学奖项目提名公示内容

一、项目名称：面心立方材料弹塑性力学行为及原子层次机理研究

二、提名单位：北京市

三、提名单位意见：

在原子层次上认知材料的弹塑性力学行为与其微观结构演化的关联性，是材料科学领域的重大基础科学问题和目标，但此类问题长期以来是实验领域的瓶颈性难题。该项目突破传统力学实验方法的空间分辨率局限，将其由纳米提高至亚埃层次。基于此1）创建了材料弹塑性力学行为原子机理研究新方法。2）提出了“晶格弯曲限域效应”提高材料弹性极限的新途径。首次提出并在原子层次实现“晶格弯曲限域效应”，在镍纳米线中实现了34.6%的巨弹性切应变，突破了~17%的材料理论弹性极限。3）发展了纳米多晶金属塑性理论。围绕多晶金属中强韧化晶粒尺寸极限的重大基础科学问题，首次在原子层次实验验证了晶粒内位错枯竭理论；将 “Hall-Petch效应” 强韧化晶粒尺寸极限由~15纳米更新至~ 6纳米，发展了纳米多晶金属塑性理论。4）发现了脆性硅基材料室温脆韧转变及大塑性的原子层次机理。发现了脆性硅基材料的室温脆韧转变现象，揭示了位错形核与非晶化实现脆韧转变的原子机理。

该项目8篇代表论文包括：Nat. Commun. 3篇，Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater. 各1篇，Nano Lett. 3篇。相关成果被应用于突破复合材料传统设计概念，在金属中实现了超大弹性。项目成员受Nat. Mater.特邀撰文；该项目培养杰青/长江1名，优青2名，全国优博及提名奖各1篇。获2016年度北京市科学技术奖一等奖。

提名该项目为国家自然科学奖二等奖。

四、项目简介

该项目属于材料的组织、结构、缺陷与性能研究领域。材料的弹塑性力学行为及原子机理是材料强韧化提升、加工性能优化的重要科学基础，也是本领域亟待解决的科学难题；发展有效和新的认知方法成为解决该难题的关键。项目组历经15年深入探索，创建了全新的原位原子层次材料力学行为实验研究方法，并应用于面心立方材料弹塑性行为及原子机理的研究，主要成果如下：

1、创建了材料弹塑性力学行为原子机理研究新方法。发展高空间分辨的材料力学行为原位实验研究方法，是材料领域持续的科学目标。项目突破原有方法分辨率仅为纳米尺度的局限，将其空间分辨率提高至亚埃尺度，实现了原子层次材料力学行为研究的新模式。首次于2007年应用于一维纳米材料弯曲变形；2010年取得2个数量级力学载荷提升的突破，使其普适于二维和块体取样材料；2014年进一步将位移加载精度提高1个数量级，实现亚埃尺度位移可控。被国际同行评述为“opened up the new research area of …”, Appl. Phys. Rev. 2017 (IF:13.67)。

2、提出了“晶格弯曲限域效应”提高材料弹性极限的新途径。不断逼近材料的理论弹性极限是该领域永恒主题。项目首次提出并在原子层次实现“晶格弯曲限域效应”，在镍纳米线中获得了34.6%巨弹性切应变，突破~17%的材料理论弹性极限，发展了近100年前的弹性切应变理论，被Nat. Mater., 2013以“Hyperelastic Nanowires”亮点报道。项目在铜纳米线中实现7.2%的超大拉伸弹性应变，接近理论拉伸弹性极限，Science, 2013指出其为金属中迄今实现的最大拉伸弹性应变。

3、发展了纳米多晶金属塑性理论。围绕多晶金属强韧化的晶粒尺寸极限这一长期基础科学问题，首次在原子层次实验验证了晶粒内位错枯竭理论，阐明了晶粒协同转动的原子机理—晶界位错攀移；发现了全位错-偏位错-晶界位错塑性转变；将 “Hall-Petch效应” 强韧化晶粒尺寸极限由~15纳米更新至~6纳米，发展了纳米多晶金属塑性理论。被美国Mater. Res. Lett.主编Y.T. Zhu评述为“important guidance (重要指导) for…materials with ultra-high strength…”。

4、发现了脆性硅基材料室温脆韧转变及大塑性的原子层次机理。发现脆性硅基材料在小尺度下具有室温脆韧转变行为，在硅及碳化硅纳米线中分别实现了106%和40%的室温大塑性，超出其块体材料2个数量级。揭示了位错形核与非晶化实现脆韧转变的原子机理，解决了脆性硅基材料室温脆韧转变的基础科学难题。成果入选2007年中国高等学校十大科技进展，被评述为：“集现代电子显微学原位表征与纳米材料新异物理性能于一体的原创性成果”。

该项目发表论文53篇，专利5项。8篇代表论文包括：Nat. Commun. 3篇，Phys. Rev. Lett.，Adv. Mater.，Nano Lett. 3篇，总他引1351次。成果被应用于突破复合材料传统设计概念，在块体金属中实现了接近理论极限的超大弹性。项目成员被Nat. Mater.特邀撰文；项目培养杰青/长江1名，优青2名，全国优博及提名奖各1篇。获2016年度北京市科学技术奖一等奖。被教育部组织的211三期重点项目专家组评价为：“在国际上已经形成特色学科方向”。

五、代表性论文（专著）目录（不超过8篇）：

序号	论文（专著）名称/刊名 /作者	年卷页码（xx年xx卷 xx页）	发表时间（年月日）	通讯作者（含共同）	第一作者（含共同）	国内作者	他引总次数	检索数据库	论文署名单位是否包含国外单位
1	Low-temperature in situ large-strain plasticity of silicon nanowires/ADVANCED MATERIALS/Xiaodong Han, Kun Zheng, YueFei Zhang, Xiaona Zhang, Ze Zhang, and Zhong Lin Wang	2007年19卷2112页	2007年07月17日	Ze Zhang，Zhong Lin Wang	Xiaodong Han	韩晓东，郑坤，张跃飞，张晓娜，张泽	262	SCIE、SCOUPS、CNKI	是
2	Low-Temperature in Situ Large Strain Plasticity of Ceramic SiC Nanowires and Its Atomic-Scale Mechanism/NANO LETTERS/X. D. Han, Y. F. Zhang, K. Zheng, X. N. Zhang, Z. Zhang, Y. J. Hao, X. Y. Guo, J. Yuan, and Z. L. Wang	2007年7卷452页	2006年12月29	Z. Zhang，Z. L. Wang	X. D. Han	韩晓东，张跃飞，郑坤，张晓娜，张泽，郝雅娟，郭向云，袁俊	235	SCIE、SCOUPS、CNKI	是
3	In Situ Observation of Dislocation Behavior in Nanometer Grains/PHYSICAL REVIEW LETTERS/Lihua Wang, Xiaodong Han, Pan Liu,Yonghai Yue, Ze Zhang, and En Ma	2010年105卷135501页	2010年09月20日	Xiaodong Han	Lihua Wang	王立华，韩晓东，刘攀，岳永海，张泽	130	SCIE、SCOUPS、CNKI	是
4	Grain rotation mediated by grain boundary dislocations in nanocrystalline platinum/NATURE COMMUNICATIONS/Lihua Wang, Jiao Teng, Pan Liu, Akihiko Hirata, En Ma, Ze Zhang, Mingwei Chen & Xiaodong Han	2014年5卷4402	2014年07月17日	En Ma，Ze Zhang，Xiaodong Han	Lihua Wang，Jiao Teng，Pan Liu	王立华，腾蛟，刘攀，张泽，韩晓东	172	SCIE、SCOUPS、CNKI	是
5	In situ atomic-scale observation of continuous and reversible lattice deformation beyond the elastic limit/NATURE COMMUNICATIONS/Lihua Wang , Pan Liu, Pengfei Guan, Mingjie Yang, Jialin Sun, Yongqiang Cheng, Akihiko Hirata, Ze Zhang, Evan Ma, Mingwei Chen & Xiaodong Han	2013年4卷2413页	2013年09月10日	Mingwei Chen，Xiaodong Han	Lihua Wang，Pan Liu	王立华，刘攀，杨明杰，孙家林，张泽，韩晓东	101	SCIE、SCOUPS、CNKI	是
6	Approaching the Theoretical Elastic Strain Limit in Copper Nanowires/NANO LETTERS/Yonghai Yue, Pan Liu, Ze Zhang, Xiaodong Han, and En Ma	2011年11卷3151页	2011年07月18日	Xiaodong Han，En Ma	Yonghai Yue	岳永海，刘攀，张泽，韩晓东	152	SCIE、SCOUPS、CNKI	是
7	Atomic Mechanisms Governing the Elastic Limit and the Incipient Plasticity of Bending Si Nanowires/NANO LETTERS/Kun Zheng, Xiaodong Han, Lihua Wang, Yuefei Zhang, Yonghai Yue, Yan Qin, Xiaona Zhang, and Ze Zhang	2009年9卷2471页	2009年05月22日	Xiaodong Han，Ze Zhang	Kun Zheng	郑坤，韩晓东，王立华，张跃飞，岳永海，秦艳，张晓娜，张泽	114	SCIE、SCOUPS、CNKI	否
8	Electron-beam-assisted superplastic shaping of nanoscale amorphous silica/NATURE COMMUNICATIONS/Kun Zheng , Chengcai Wang , Yong-Qiang Cheng , Yonghai Yue , Xiaodong Han , Ze Zhang , Zhiwei Shan , Scott X Mao , Miaomiao Ye , Yadong Yin & Evan Ma	2010年1卷24页	2010年06月01日	Ze Zhang，Zhiwei Shan，Evan Ma	Kun Zheng，Chengcai Wang，Yong-Qiang Cheng	郑坤，汪承材，岳永海，韩晓东，张泽，单志伟	185	SCIE、SCOUPS、CNKI	是
合计							1351

六、主要完成人情况（一、二等奖不超过5人）：

排序	姓名	对本项目重要科学发现的贡献	工作单位	完成单位	职称	职务
1	韩晓东	提出总体学术思想，指导项目研究的具体实施，负责了全部数据整理和分析。对科学发现点（一）、科学发现点（二）、科学发现点（三）和科学发现点（四）都有重要贡献。是代表论文1，2的第一作者，代表论文3、4、5、6、7的通讯作者。	北京工业大学	北京工业大学	研究员	科发院常务副院长
2	张泽	提出总体学术思想，指导项目研究的具体实施。对科学发现点（一）、科学发现点（二）、科学发现点（三）和科学发现点（四）都有重要贡献，是代表论文1,2,4,7,8的通讯作者，所有代表性论文的作者。	浙江大学	浙江大学	教授	校学术委员会主任
3	王立华	对科学发现点科学发现点（二）和科学发现点（三）有重要贡献，对科学发现点（一）（二）有贡献。是代表论文3、4、5第一作者，代表论文7的主要合作者。	北京工业大学	北京工业大学	研究员	无
4	张跃飞	对科学发现点（一）和科学发现点（四）有重要贡献，对科学发现点（二）有贡献。是代表论文1、2、7的主要合作者。	北京工业大学	北京工业大学	研究员	无
5	郑坤	对科学发现点（一）和科学发现点（四）有重要贡献，对科学发现点（二）有贡献。是代表论文7、8的第一作者，代表论文1、2的主要合作者。	北京工业大学	北京工业大学	研究员	无