世界首創(chuàng)技術為納米金屬材料拍出3D照片

12月1日，《科學》雜志刊登了重慶大學科學家的重要成果：該校材料科學與工程學院教授、電子顯微鏡中心主任黃曉旭及其團隊，利用自主研發(fā)的三維透射電鏡技術，在世界上首次實現(xiàn)對納米金屬塑性變形的研究，并發(fā)現(xiàn)納米金屬塑性變形后其內(nèi)部晶體取向可回轉(zhuǎn)這一反?，F(xiàn)象。

這一重大發(fā)現(xiàn)標志著黃曉旭團隊自主研發(fā)的三維透射電鏡技術，經(jīng)過十多年的發(fā)展，正式從原理進入成熟應用階段，實現(xiàn)了納米材料研究從二維到三維的跨越。

納米金屬材料由于強度高、耐磨性好等特點，應用廣泛且影響深遠。不過材料微觀結構的變化與其宏觀性能上的改變之間有什么樣的因果關系，還有待科學研究去揭示。而傳統(tǒng)的透射電鏡技術，只能觀察材料內(nèi)部三維結構的二維投影?？茖W家們一直在尋求一種能夠?qū){米材料三維結構進行高精度表征的新技術。

黃曉旭團隊長期致力于先進表征技術和納米金屬的研究，并在10多年前提出了一種利用透射電子顯微鏡對納米晶體材料進行直接三維定量表征的新方法——透射電鏡三維取向重構技術，這一首創(chuàng)性技術的相關原理還在2011年于《科學》雜志上發(fā)表。

“這個技術從理論實現(xiàn)應用，我們用了10年?！秉S曉旭說，看似簡單的三維圖像，其實是由幾十萬張透射電鏡照片的晶體取向信息合成提取獲得。

為了讓這項技術高效、準確、實用，黃曉旭團隊進行了原創(chuàng)性技術研發(fā)，在硬件上研制出電鏡電子光學與圖像采集控制系統(tǒng)，提升了電鏡的高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集速度；在軟件上開發(fā)出高效的數(shù)據(jù)處理分析和三維重構系統(tǒng)，從而將納米材料的內(nèi)部結構從二維圖片變成了三維圖譜。利用這些原創(chuàng)技術，他們成功開發(fā)了一系列基于電子衍射的三維透射電鏡技術，其中透射電鏡三維取向重構技術的空間分辨率達1納米(1納米相當于百萬分之一毫米)。這些技術填補了納米級三維取向重構技術的空白，將大大促進三維材料科學的發(fā)展。

“三維透射電鏡技術是我們?yōu)檠芯考{米材料打造的一把稱心如意的劍。”重慶大學材料科學與工程學院教授、電子顯微鏡中心副主任黃天林說，有了這個強有力的工具，就可以對組成納米材料的各個小晶體進行精確描述。這不僅可為建立微觀結構與性能關系的新理論模型奠定基礎，還能為開發(fā)控制和優(yōu)化納米材料結構與性能的新途徑提供指導。同時，相比已經(jīng)在材料科學領域應用的X射線三維表征技術，透射電鏡三維取向重構技術將空間分辨率從微米級提高到納米級。

黃曉旭團隊還利用透射電鏡三維取向重構技術，首次實現(xiàn)對納米金屬塑性變形研究并發(fā)現(xiàn)納米金屬塑性應變可恢復的反?，F(xiàn)象。這一新發(fā)現(xiàn)豐富了納米金屬塑性變形理論，將為先進納米結構材料研發(fā)、納米材料使役行為的預測和控制，以及微納器件功能優(yōu)化提供指導。

“目前，我們準備對三維透射電鏡技術進行成果轉(zhuǎn)化。”黃曉旭表示，他們計劃將開發(fā)的相關硬件和軟件技術有機整合，讓整合后的集成技術能直接安裝到傳統(tǒng)透射電鏡上，賦予傳統(tǒng)透射電鏡三維表征功能，從而助力汽車制造、航空航天及微電子器件等領域的材料研究。