畅游于新金属材料研究世界

上个世纪六十年代，一种新金属材料的问世引起了各界关注，它被称为非晶态合金。因具有高导磁率、高电阻率、高强度、耐腐蚀、抗辐射等优异特性，非晶态合金被快速地应用于各个领域。作为目前世界各国争相研制的重要新型材料，它的应用领域从智能手机外壳到穿甲弹，从变压器铁芯到专业高尔夫球杆，极为广泛。

多年前就有研究者认为，非晶合金材料不仅在科学研究方面蕴藏巨大机遇、有着巨大的市场前景，同时也孕育着继钢铁、塑料之后的第三次材料工业革命。本文的主角――深圳大学机电与控制工程学院汪浩副教授，就是这一研究领域的专家，多年来辛勤付出，取得了丰硕的研究成果。

实现新金属材料突破性研究

非晶态合金又称为金属玻璃，是一种年轻的新型玻璃材料。由于其独特的无序结构，它有着优异的物理和化学性能，在军事工业、航空工业、民用工业上具有广泛的应用前景，自问世以来，在国际上引起了普遍的重视。自上世纪80年代末以来，美国、日本、欧盟都加大了对这一领域的支持力度，设立了重大研究项目，我国也在2007年将其列入国家重点基础研究发展计划（简称“973”计划）。

非晶态合金被称为最理想的器件加工材料，对此汪浩形象地作了如下比喻：“非晶态合金有着接近陶瓷的硬度，但在一定温度下能像橡皮泥一样柔软，甚至像液体一样流动，所以，作为器件加工材料，它非常理想。”短暂地停顿后，他继续说：“虽然非晶合金的应用前景令人鼓舞，但是由于其独特的无序结构，我们对其力学性能、形变与断裂机制的理解还相当有限。人们在学术研究中常常沿袭使用晶态固体理论的术语，如缺陷、塑性形变等，无法令人信服地阐明非晶态固体的形变过程和内禀机制。”

近年来一系列实验工作给出了金属玻璃材料的屈服应力，这些结果差别很大，令人对金属玻璃的变形机制充满好奇。这既是对科研工作者的挑战，也是一个充满机遇的方向。2013年，汪浩从有限形变理论出发，结合分子动力学模拟及纳米压痕实验的结果，给出了金属玻璃材料强度与关联运动原子团尺寸的关系，于物理类顶级学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。该模型从材料微观结构的角度出发，解释了非晶合金力学性能的尺寸效应，对金属玻璃材料的设计与应用有着重要意义，引起了国际上一些非晶合金研究小组的热切关注。

几乎同时，汪浩还采用有限形变理论，研究了金属玻璃材料在单轴应力下的非线性弹性响应行为，并将研究成果发表于《应用物理学杂志》（Journal of Applied Physics）。这项研究说明了在单轴应力的作用下，金属玻璃的各向同性对称性被破坏，只保留了在应力方向横截面上的二维各向同性；给出了泊松比、杨氏模量、各向异性系数等物理量对应变的依赖关系；分析了金属玻璃材料的弹性稳定性和机械强度。文章发表后得到行业广泛关注，该期刊主编 James Viccaro 特意给汪浩发来了贺信。

这两篇文章被广泛引用，为相关科研课题提供了参考依据，也奠定了汪浩在非晶态合金科研领域的国际声誉。

推动非晶态合金基础研究

汪浩在兰州大学物理系读研究生时就做过量子场论、数学物理方程等领域的研究，打下了良好的科研基础。在美国留学和工作的11年时间里，他进一步丰富了自己跨学科研究的经历。

留学美国佐治亚理工学院期间，汪浩从事过凝聚态物理的理论和部分实验工作，在材料系李默教授（首批“”入选者）带领的课题组，汪浩用数值模拟的方法研究金属材料的力学性能，在非线性弹性、机械稳定性、材料强度等领域取得了不错的研究成果，顺利完成了博士论文。

在佐治亚理工学院化学系有机光电中心做博士后研究期间，汪浩跟随世界顶尖的量子化学专家 Jean-Luc Bredas 从事有机发光二极管（OLED）的研究，在这里对有机光电材料产生了浓厚的研究兴趣。他利用密度泛函理论，研究了碳酸铯分子在氧化锌基底的吸附能、单层碳酸铯对氧化锌基底功函数的影响，以及电荷在碳酸铯与氧化锌基底之间的转移。研究结果表明，从碳酸铯分子向氧化锌的电荷转移，是导致氧化锌基底功函数降低的主要原因。这项工作将对碳酸铯在有机光电器件中的广泛应用提供理论依据，有助于新一代高效率有机发光元器件的设计与制造。

丰富的跨学科研究经验给汪浩带来了广阔的视野，而在研究工作中对于物理学、材料学、化学的多维度考量，更让他攀登了学科领域的一座又一座高峰。2013年9月，在深圳大学的盛情邀请下，汪浩参与创建了该校纳米表面科学与工程研究所，在实验室建设方面积累了丰富的一手经验。科研工作付出的劳动，也为汪浩带来了荣誉和肯定：2013年刚刚回国他就入选当年深圳大学优秀青年教师培养计划（“荔园优青”），并被深圳市政府认定为2013年“孔雀计划”海外高层次领军人才。

谈到今后的科研规划，汪浩透露了一个新方向：“多尺度力学是当今科学技术发展的前沿，许多重要问题都表现出尺寸效应。但如果只考虑单个尺度上某个物理机制，则难以描述整个系统的复杂现象。我们在这个领域可以多下点功夫。”

在美国攻读博士期间，汪浩所在的课题组对非晶态合金的多尺度数值模拟研究有着长期的工作积累。这让他不仅熟悉多尺度模拟方法，而且在金属材料的非线性弹性、强度与稳定性理论、非晶合金中的局域化现象和剪切带的形成机理、纳米与多晶材料中微观结构的表征与应用、晶态-非晶态相变理论等研究方向上都打下了坚实的基础。对非晶态合金的多尺度研究，他有哪些新想法？

听到这个问题，汪浩笑着说：“我准备从多尺度数值模拟出发，结合使用纳米压痕仪与高分辨率透射电镜等实验工具，系统研究不同组元非晶合金的力学性能，建立非晶合金变形机制的理论模型。希望能通过这些工作，为非晶合金在生物医疗器材、微纳器件制备、纳米复合增强等方面的工业应用奠定牢固的研究基础。”

前路漫漫，待有志之士不懈求索。畅游于新金属材料研究的世界，过去、现在和未来，汪浩教授始终乐此不疲。我们期待他的探索之旅有更多新的发现。