材料科学家Jason Trelewicz在美国布鲁克海文功能纳米材料研究中心的电子显微镜实验室中表征了掺杂其他元素的金属纳米结构。图片来源：美国布鲁克海文国家实验室

    Jason Trelewicz的父亲是一位工程师，自从小时候他的父亲将他带到工作室后，从此他就与材料科学领域结下了不解之缘。在他父亲工作的材料实验室里，Trelewicz使用光学显微镜放大物质表面，他观察到不同样品相互作用的光呈现出不同特征

    现在，Trelewicz成为了材料科学化学工程系工程与应用科学专业副教授，是由石溪大学高级计算科学研究所和工程金属纳米结构实验室联合任命的。他利用放大倍数更高的电子显微镜，可以详细的观察微小的纳米结构，并了解当它们受到热、辐射和机械力时会发生什么。Trelewicz对金属合金（掺杂其他金属）的纳米结构特别感兴趣，将此纳米尺寸特征纳入经典材料可以提高其性能。通过电子显微镜研究收集的信息帮助他了解纳米结构和化学特征之间的相互作用。而这可以用来调整材料的性能，使其用于从航空航天、汽车零部件到消费电子和核反应堆等各个方面。

    自2012年起，Trelewicz抵达石溪大学后一直在美国能源部（DOE）科学用户办公室即功能性纳米材料中心（CFN）使用电子显微镜和高性能计算（HPC）进行研究。

    Trelewicz说：“当时，我一直寻找一个方法将我对于稳定金属纳米结构的想法解决新应用问题。我对核能技术的兴趣最初产生于读小学的时候，重新利用我们从地球上的太阳获得的能量的过程使我着迷，并且激起了我对核能的兴趣。虽然我们距离发电核聚变反应堆还有很远的距离，但在目前法国一个名为ITER的大型国际团队正在努力尝试一个长期的大规模聚变反应。”

    用于聚变反应堆的等离子体材料

    核聚变--原子核碰撞的反应，几乎可以提供无限量的安全清洁能源，就像太阳通过将氢原子核融入氦原子而自然产生的那样。在反应堆中使用这种无碳能源需要在发生聚变的非常高的温度（约比太阳核心高6倍）的高温下产生并维持等离子体，同时用磁场限制它。目前聚变反应堆所面临的诸多挑战中，Trelewicz最感兴趣的是为反应堆提供可行的材料。

    Trelewicz说：“对于聚变领域来说，巨大的材料挑战使我看到了研究材料的机会，在核反应堆内部，等离子体将产生高热通量，高热应力，高粒子和中子通量，而人们正期望材料在这种严酷环境中起作用。”

    这种“面向等离子体材料”的主要候选对象是钨，因为它具有高熔点（纯金属中熔点最高）和较低的溅射产量（等离子体中的高能离子喷射原子的数量）。然而，钨在再结晶，抗氧化性，长期辐射耐受性和机械性能方面的稳定性是有问题的。

    Trelewicz认为，设计精确的纳米结构钨合金可以解决这些问题。8月份，他获得了美国能源部早期职业研究计划颁发的75万美元五年奖，旨在开发稳定的纳米晶钨合金，从而可以承受聚变反应堆苛刻的环境。他的研究将原子模型相互作用，有关实时离子辐照曝光和机械测试的实验模拟结合，以了解负责合金热稳定性，辐射耐受性和机械性能的基本机制。这项研究的经验将为联合应用提供弹性更好的合金设计。

    除了他们在本国机构使用的计算资源之外，Trelewicz和他的实验室小组正在使用CFN的HPC集群，以及其他DOE设施的集群，例如橡树岭领导计算设施的Titan（橡树岭国家实验室DOE科学用户办公室的设施）也会作为项目的一部分进行大规模的原子模拟。

    Trelewicz说：“我们想要设计的材料结构长度范围在几纳米到100纳米之间，单个模拟可能涉及多达1000万个原子。使用HPC集群，我们可以一个原子接一个原子的构建一个系统，以此代表我们想要通过实验探索的结构，并仿真地研究在不同的外部刺激条件下该系统的响应，例如，我们可以成千上万次的激发高能量原子进入系统，然后观察材料发生了什么，以及它是如何发展的，一旦发现积累在结构中的缺陷，我们就可以模拟热力学和机械力，从而了解缺陷结构是如何影响其他行为的。”

    这些模拟结果表明了实验合金的结构和化学性质，而这些都是Trelewicz和他的学生在石溪大学通过高能铣削完成的。为了表征工程合金的纳米结构和化学分布，他们广泛地使用了包括扫描电子显微镜，透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜在内的CFN显微设备。通过高分辨率成像，并且与显微镜内的加热相结合来实时检查结构随温度的变化，他们在美国能源部其他国家实验室进行实验，例如在桑迪亚通过与Ion Beam实验室的材料科学家Khalid Hattar合作进行实验。在这里，Trelewicz研究小组的学生们同时用离子束照射工程合金，并用电子显微镜在数天的时间内对其进行成像。

    Trelewicz说：“虽然这种损害与材料在反应堆中的反应不相符，但它确实为评估工程材料是否可以解决钨在联合应用中的某些局限性提供了一个起点。

    电子显微镜在CFN中发挥了关键作用，Trelewicz的学生最近有了令人兴奋的发现：在纳米结构钨薄膜中意外发现了亚稳态到稳定的相变。这种相变驱动了一种异常 ”晶粒“生长，其中一些晶体纳米结构特征以牺牲其他成本而显着增长。当学生向钨中添加铬和钛时，这个亚稳相被完全消除，反过来又提高了材料的热稳定性。

    Trelewicz说：”将实验和计算部分都用于我们的研究的一个重要方面是，当我们从实验中学到新的东西时，我们可以回过头来量身定制模拟，以更准确地反映实际材料。“

    Trelewicz研究小组的其他项目

    钨的研究只是工程金属纳米结构实验室的众多项目之一。

    Trelewicz说：”我们所有的项目包括在开发具有增强/多功能特性的新型金属合金之中。我们正在寻找不同的策略，通过共同调整材料的化学和微观结构来优化材料的性能。大部分的科学在于理解纳米尺度的机制，而这些机制决定了所测量的纳米结构宏观特性。“

    Trelewicz和他的研究小组利用美国国家科学基金会（学院早期职业发展计划）的奖项，正在研究另一类高强度合金，即非晶态金属又称”金属玻璃“，它们是原子结构无序的金属玻璃。与日常金属相比，金属玻璃通常具有固有的较高强度，较高的脆性，并且难以制造大块片材的金属玻璃。Trelewicz的团队正在设计金属玻璃的接口（最初是铁基，后来是锆基金属玻璃），以增强材料的韧性，并探索大批量制造工艺以生产金属板。他们将使用CFN的纳米制造设施来制造这些界面工程金属玻璃的薄膜，以便于使用电子显微镜技术进行原位分析。

    在一个类似的项目中，他们正试图了解如何在锆基非晶合金中引入结晶相，以形成金属玻璃基复合材料（由无定形相和结晶相组成）了解其相对于常规金属玻璃增强的变形过程。金属玻璃通常会因为局部应力应变而毁于一旦。而在金属玻璃中引入结晶区域可以抑制材料中的局部应力应变。他们已经证明，晶相的存在从根本上改变了剪切带形成的机制。

    Trelewicz和他的团队也在探索由交替结晶层和非晶层组成的金属”纳米层“的变形行为，并试图通过协同化学掺杂策略来接近轻质铝合金的强度理论极限（将其他元素添加到材料中改变它的属性）。

    Trelewicz说：”我们利用CFN的资源来开展我们研究小组每个项目。并广泛使用电子显微设备来观察材料的微观和纳米结构，常常观察材料如何与成分不均匀的界面进行耦合，这些信息有助于我们稳定和设计纳米结构金属合金中的界面网络。CFN中的HPC集群所运用的计算建模和仿真系统能够通知我们在实验中做了哪些工作。“

    他除了在CFN的工作之外，还与他的部门同事合作，在美国国家同步辐射光源II，即美国能源部在布鲁克海文的另一个科学用户设施办公室中对材料进行了表征。

    Trelewicz说：”表征结构和化学不均匀性的方法有多种。我们通过电子显微镜在CFN上观察少量材料，然后在NSLS-II上通过X射线衍射和微/纳米探针等技术观察更多的材料，我们将这些本地和全球对同一个材料的信息结合起来，再应用这些信息优化其属性。“

    新一代材料的未来

    当Trelewicz不做研究时，他通常忙于学生外展。他联系各学校的技术部门，为他们提供材料工程设计项目。学生们不仅可以参与材料设计工程方面的工作，而且还能够学习如何使用3D打印机和其他在当今社会至关重要的工具来制造更具成本效益和性能的产品。

    展望未来，Trelewicz希望扩大与CFN的合作，并希望CFN帮助他将金属纳米结构的研究作为CFN支持的核心领域，并最终由DOE在经典材料领域实现前所未有的性能。

    Trelewicz说：“能够每天学习新东西，利用这些知识对社会产生影响，并且看到我的学生填补了我们当前理解的空白，这使得我作为教授这一职业有着如此大的成就。凭借石溪大学，附近的CFN和其他DOE实验室的资源，我可以用这些非常棒的平台为材料科学和冶金领域作出贡献。”

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