电子显微镜下的神奇世界

徐赛

近10多年，先进材料研究成果密集涌现，专家甚至断言，21世纪将是材料“革命”的时代。在21世纪最重要的三大科技领域之一的材料学，核心问题是结构与性能的关系问题，即材料的性能是如何通过结构来影响和调控的。

而要实现，必须倚仗电子显微镜，研究材料的微观结构及其缺陷，从而建立材料结构与性能之间的内在关系。“现在，我和我的同事、学生每天都会在材料中看到大量的整齐排列的原子，我们都认为这是一个非常令人兴奋的事业。”中国科学院金属研究所研究员、博士生导师马秀良说，当初开启这项事业源于1篇硕士论文。

时间再倒回上世纪的1959年，就读于英国剑桥大学Cavendish实验室的R.C.Hudd完成了一篇有关铝合金中晶体相的硕士论文。在文章中，作者阐述了一系列重大发现，但还有一些新颖的实验现象在当时却无法解释，于是便打了问号放在了那里。整整30年后，一个血气方刚的年轻人立志要解开那些问号之谜，他就是马秀良。

师恩难忘

1988年，马秀良毕业于大连理工大学材料工程系。次年，他师从著名科学家、教育家郭可信院士，在中国科学院北京电子显微镜实验室及大连理工大学从事Al基合金中十次对称准晶及相关晶体相的电子显微学研究。

1989～1994年间，他发现了稳定的准晶体（Al-Co合金系）。“这是可形成稳定十次对称准晶的唯一的二元合金体系”。又是20多年过去，如今回忆起当年的发现，马秀良仍饱含兴奋之情。后来，他在此基础上制备出毫米量级十次准晶单晶体并与中国科学院物理所的科学家一道测得其有别于传统晶体的独特物理性能数据。

在Al合金中，马秀良先后花了10余年的时间一共发现了13种与准晶结构密切相关的新物相，并将之归纳为单斜和正交两大点阵群族；他建立系列新物相的结构模型，提出了“准晶相是上述两大晶体群族中共有的极限成员（单胞无穷大）”重要观点。

这些重大研究发现，一方面极大地丰富了早期人们通过X射线衍射方法建立起来的合金平衡相图，另一方面也为一些Al合金的成分设计以及合金使役行为的研究提供了重要的基础结构信息。

在那之后，马秀良的研究成果受到了国际同行的广泛关注，他也因此获得了美国ISI（Institute for Scientific Information）经典引文奖和国家教育部科技进步奖一等奖。

对于这一切，马秀良很感谢郭可信院士（1923～2006）。他总是很尊敬地称呼老师为“郭先生”，的确，郭先生是一位值得世人敬佩的前辈。上世纪50年代，郭先生在祖国的召唤下毅然回国投身祖国的建设，到了80、90年代，我国的准晶研究在他的带领下已处于国际领先地位。曾留学海外的郭先生亲身体验到西方科技先进的一面，“像我这样在他那里拿了博士学位的年轻人，他还是希望能有机会走出去看看，学习西方一些先进的知识”，马秀良诉说着当年的点滴。

对家的回报

在攻读博士学位期间，马秀良在郭先生的指导下曾在美国的《冶金会刊》以及英国的《哲学杂志》上连续发表5篇学术论文，这些工作在当时准晶研究领域里具有一定的国际影响，以至于在他博士刚毕业时，法国国家科学研究中心的一个冶金学实验室就主动邀请马秀良去那里做博士后，同时，德国多特蒙德大学的Uwe K?ster教授也向他伸出橄榄枝。面对两份沉甸甸的邀请，马秀良最终选择了德国。

“原因有两个，一是凭借那几篇学术论文我顺利获得了在国际上颇具影响力的德国‘洪堡基金的资助；二是我是从事材料电子显微学研究的，德国人在电子光学方面对世界的贡献是巨大的，我也希望能近距离地感受一下。”殊不知，透射电子显微镜就是上世纪30年代德国人Ernst Ruska发明的，后来于1986年还获得了诺贝尔物理奖。于是，1995年马秀良西行远赴德国深造。

刚到德国的马秀良顿感大开眼界。先进的实验条件，使他兴奋得好似如鱼得水；还有德国人做事的认真和德国教授治学的严谨至今让马秀良难忘。“我突然明白郭先生那种严谨的治学态度与他早期留学欧洲的经历不无关系”，这也使马秀良倍加珍惜这份难得的学习机会。

在德国期间，马秀良主要还是从事金属结构材料的电子显微学研究。他的合作教授K?ster曾毕业于德国的哥廷根大学，在冶金学和材料热力学方面都具有很高的学术造诣。他们便结合各自的专长，合作撰写了几篇学术论文并发表在国际期刊上。

1997年，马秀良转赴位于名古屋的日本精细陶瓷研究中心，后来又到了东京大学，期间的合作对象一直是日本著名的电子显微学家Yuichi Ikuhara教授。在日本，他的研究内容又是另一番景象——从在德国时的金属结构材料转为先进功能材料，“研究内容的转变无疑扩展了我的研究领域。”结构材料是指那些主要利用其力学性能的材料，如建筑、桥梁、汽车等方面用的钢铁材料、铝合金材料、钛合金材料；而功能材料是指那些主要利用其物理或化学性能的材料，如电脑及半导体领域中用的芯片等，这二者有着本质的区别。就这样，马秀良在不同的材料间探索着未知的奥秘。

无论在德国还是在日本，马秀良都收获颇多。他最大且最直观的感受就是，做科研，尤其是基础研究，应注重国际交流。“在这样的环境里我也有机会聆听各种学术讲座，包括一些曾经获得诺贝尔奖的国际学术大师的讲座。”潜移默化之间，马秀良不仅开阔了视野，也提高了自身的学术品位。

“总之，在国外期间，我在享用高端实验设施的同时，更重要的是在治学理念上得以熏陶”，这些都无疑对他后来回国在国内的发展具有重要影响。

时光转瞬即逝，2001年4月，马秀良在香港完成了为期1年的访问学者计划后携一家三人回到了沈阳。

那时总有人问他，在国外做得好好的，为什么突然选择回国？马秀良也总回答说，“这个道理很简单，回国就是回家，而回家是不需要什么理由的。我们每年春节有上亿人不管路途多么遥远不管旅途多么艰难，都要往家里赶，为什么？那是对家的眷恋、对家的爱，也是对家人的义务。同样，回国发展为国效力，为祖国的科学事业贡献一份力量，那就是对家的回报。”

奥氏体不锈钢点蚀形核机制的新认识

中国科学院金属研究所是材料科学与工程领域具有重要国际影响的研究机构，是我国高性能材料研究与发展的重要基地。2001年马秀良到了金属所后经过多年的探索利用透射电子显微镜对不锈钢点蚀形核机制有了新的认识。

众所周知，不锈钢被广泛应用于现代工业领域以及人们的日常生活，具有高的抗均匀腐蚀能力，但其局部点状腐蚀（即“点蚀”）却难以避免。在石油、化工、核电等领域，点蚀容易造成管壁穿孔从而带来巨大灾难。虽然业内已普遍认为，点蚀的发生起因于不锈钢中硫化锰夹杂的局域溶解，但由于缺乏微小尺度的结构信息，点蚀的形核位置一直被描述为“随机和不可预测的”，所以，这也制约着人们对不锈钢点蚀机理的认识以及抗点蚀措施的改进。

见此现状的马秀良便带领团队开始用透射电子显微技术对不锈钢进行观察，结果发现在硫化锰夹杂中弥散分布着的一种氧化物纳米八面体，他称它们为微小的“肿瘤”。经过实验研究，他观察到这些氧化物纳米颗粒作为电化学微电偶电池的阴极，在一定的介质条件下会加速硫化锰的阳极溶解。纳米“肿瘤”的发现不仅为揭示不锈钢点蚀的起始位置提供了直接证据，还使人们对不锈钢点蚀机理的认识从先前的微米尺度提升至纳米甚至原子尺度，无论对基础科学研究还是工程合金的实际应用都具有重要意义。

最近，在原子尺度认识不锈钢点蚀机理的基础上，马秀良团队在如何提高奥氏体不锈钢的抗点蚀能力方面提出了一种新思路。他们采用含铜离子的特定溶液对不锈钢材料进行一定时间的化学处理，使硫化锰表面发生阳离子交换反应，从而形成一层电极电位明显高于硫化锰的Cu2-xS结构。这样做，可以使点蚀形核率降低1～2个数量级，而且不影响不锈钢表面原有的钝化膜结构。

他说，这种在原子尺度结构信息基础上提出的“提高不锈钢抗点蚀能力”的新方法有望以简捷、高效、低成本的形式在工业生产中得到应用。研究已得到国内外本领域科学家的认可，相关研究结果也相继发表在具有重要影响力的国际学术刊物上。2010年7月，《科学时报》和《光明日报》等多家媒体分别对这项工作进行了报道。

铁电材料领域的新突破

在对铁电材料的研究方面，马秀良也做出了重要贡献。铁电材料与铁磁材料都具有极强的类比性，如类似的电（磁）滞回线、极化序参量以及畴结构组态等，但相比于铁磁领域的研究和应用比较成熟的发展，铁电材料的基础和应用研究明显滞后。

自1986年起，物理学家就相继预测在一定的条件下铁电材料中可能出现通量全闭合结构，且理论上该结构可带来超高密度的信息存储功能。尽管通量全闭合结构在铁磁材料中已获得普遍认识，但经过近30年的探索，在铁电材料中却一直没有得到实验证实。

其主要困难还在于铁电材料中通量全闭合结构必然导致巨大的晶格应变。所以，如何突破铁电极化与晶格应变的相互制约，实现极化反转与晶格应变的有效调控，获得有望用于超高密度信息存储的结构单元，是当今铁电材料领域面临的一个重大基础性科学难题。

这次，马秀良同样选择了迎难而上。他带领团队通过逆向思维设计，实施应变调控在钪酸盐衬底上制备出一系列超薄的PbTiO3铁电薄膜，利用具有原子尺度分辨能力的像差校正电子显微术，不仅发现通量全闭合畴结构及其新奇的原子构型图谱，而且观察到由顺时针和逆时针闭合结构交替排列所构成的大尺度周期性阵列。

在此基础上，他们揭示了周期性闭合结构的形成规律，发现在一定的薄膜厚度范围内由通量闭合结构构成的周期性阵列的周期大小与薄膜厚度之间成比值约为的线性关系。另外，他们还成功推导出闭合结构核心处超大的应变梯度以及整个闭合结构中巨大的长程弹性应变梯度。

2015年4月16日，美国《Science》杂志率先通过“Science Express”在线发表了该项研究成果，并在2015年的5月1日正式刊登发表。另外，值得一提的是，2015年正值中国科学院金属研究所固体原子像实验室自1985年由郭先生和叶恒强院士等人建立30周年，对于这一突破性的进展，在马秀良看来“应该说是给实验室30岁生日的最好礼物。”

铁电材料中通量全闭合结构以及核心处巨大弯电效应的发现，无外乎是将铁电薄膜器件的设计和研发推向一个新的高度，为探索基于铁电材料的高密度信息存储器提供了新途径。同时，研究证实了巨大的弹性应变梯度可以通过多层膜的形式保存下来，实现相关物理性能的连续调控，为新型梯度功能材料的设计提供了新思路。

团队“大家庭”

如今的马秀良，曾获国家教育部科技进步奖一等奖、2000年入选中国科学院“百人计划”、2003年获得国家杰出青年科学基金、2009年入选新世纪百千万人才国家级人选。面对丰硕的成果，马秀良清楚地看到，一个人的力量总是有限的，离不开团队的合作与支持。他坦言，“现在每每提到我的研究团队，我总是感到欣慰”。

经过14年的发展，目前研究团队成员将近40人，其中固定在编人员10人（其中7人已具有副高级以上专业技术职称），其他都为博士后及博士生和硕士生。这在中科院所属的研究所基础研究领域里无疑是一支超大规模的团队。“站在基础研究的国际前沿，利用电子显微技术解决一些材料领域中的重大基础性科学难题”，是团队一直以来发展和奋斗的目标。

2006年以来，马秀良一直担任固体原子像研究部主任，同时他也是国际和国内多家学术期刊的编委。作为团队的核心，马秀良平时很少对团队成员做非常具体的要求，而是尽可能给大家营造一种宽松的学术氛围，但在这种环境里每个人都有一种积极向上的力量。“我以符合国际惯例的学术理念，把大家推上一个快车道，在这个快车道上有那么几个领头羊，大家谁也不甘落后、谁也不甘掉队。大家不以发表论文的数量多少论英雄，而以解决重大基础性科学问题为驱动。”正是这样的良性循环，使团队始终处在一种螺旋式上升的发展趋势中。

在这里，经常会出现这幕情景，博士生到毕业时间了而且也达到毕业要求了还迟迟不肯答辩，即使答辩毕业了也不愿意离开，很多学生在博士毕业后把能够留在研究团队继续工作作为自己的追求。事实上，这支研究团队早已像一个大家庭，到处充满了温馨的家的氛围。这一切也都源于马秀良对学生们热切的关心与默默的帮助。

众所周知，我国在人才发展战略方面，相关部门近年来相继制定了一系列人才计划，“我也是人才计划的受益者”，马秀良说，“我非常欣慰地看到，一大批优秀的年轻人相继脱颖而出”，他相信，在接下来的10～20年，他们将是中国新材料研究的中坚力量。所以，马秀良也在不遗余力地为祖国不断培养未来的人才力量。

对于学生的发展，马秀良也传承了郭先生的理念。近些年，他连续不断地把年轻人送出国门，出国做短期访问或参加国际学术会议。2011年暑期，他曾从十多个国家和地区邀请42位材料电子显微学领域的知名学者到金属研究所做了为期一周的专题学术讲座，国内外60余个研究机构的350余人聆听了这些讲座，“这极大地开阔了团队成员的视野，同时也提高了我们自己的国际学术影响力。”

如今，研究部运转良好，各项科学研究也在紧张有序地进行之中，但对于马秀良来说，如何合理安排时间成了摆在他面前最大的难题。“科学研究是我的主要职责，任何时候都要以科研工作为第一要务，跟踪甚至引领本领域的国际前沿，不能有一点懈怠。”但实验室的日常工作，比如学科布局、科研项目的实施、实验室的建设及优秀人才的引进也会占用他一定的科研时间。逐渐，马秀良也有了清晰地认识，“如何具体安排科研工作的时间，会随着研究团队发展的不同阶段有所不同。”

“基础研究不是一蹴而就的，需要长期的学术积累，不可以急功近利”，在马秀良看来，科学研究的原动力是对探索未知的热情，首先要有浓厚的兴趣。“科学家是一个国家的战略高地，同时我也认为科学家是一个非常浪漫的职业：做着国家和自己都感兴趣的事情”。话语间，透露着马秀良对他科研事业的热爱，为此，他也愿意付出更多的艰辛与时间，继续在电子显微镜下观察那个神奇的世界。