他叫何战兵!
2021-09-28 22:52 来源:  北京号
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北科大有这样一位老师,因为首次发现一种新的固体物质形态广受关注。近日,他又首次发现准晶体中原子团簇的“旋转木马跳”这一凝聚态物质中的新奇现象,让我们一起走进他的科研世界。

何战兵:传承准晶,锲而不舍

图:何战兵出席诺贝尔奖颁奖典礼

何战兵,北京科技大学教授,师从我国准晶研究先驱郭可信院士。长期从事准晶体的基础及应用基础研究,取得多项具有原创性的重要科研成果。如2020年初发现一种新的物质形态,扩大了晶体的范畴,丰富了晶体学理论。最近又首次发现准晶体中原子团簇的“旋转木马跳”这一凝聚态物质中的新奇现象。他曾在瑞典斯特哥尔摩大学(合作导师Xiaodong Zou,瑞典皇家科学院院士)、瑞士洛桑联邦工学院(合作导师Nava Setter, 瑞士工程院院士)、 法国工程师名校巴黎综合理工大学 (合作导师Didier Pribat教授)、安特卫普大学电镜中心(合作导师G. Van Tendeloo, 比利时艺术与科学院院士)从事科研工作,相关研究成果发表在Science, Nature Comm., Chem. Mater., Phy. Rev. Lett.等重要期刊上。指导的学生多次获国家奖学金、北京科技大学优秀毕业生、优秀三好学生、优秀研究生干部等。

国务院总理李克强2021年7月19日考察国家自然科学基金委员会并主持召开座谈会。总理会上说:“我们到了要大声疾呼加强基础研究的关键时刻。”他强调“我们的基础研究还不厚,原创性还不高,基础研究和原始创新应该摆在关键地位。”

什么是准晶?公元前一百多年的西汉文帝时代,诗人韩婴在《韩诗外传》指出“凡草木花多五出,独雪花六出”。自然界中的花儿大多呈现五次对称,而五次对称在传统的晶体学上却是不允许的,这可以简单地用正五边形不能铺满整个平面来理解。1982年,以色列科学家D. Shechtman用透射电子显微镜发现了一种具有五次对称的新的物质形态(1984年发表),后称为准晶,对传统晶体的概念造成了极大的冲击。准晶是一种不具有平移周期对称性,但具有长程取向有序的物质形态。然而这为传统的晶体学所不容,也遭到了诺贝尔奖得主Pauling等的极力反对,但却得到了我国科学家郭可信等从实验上的强有力的支持。准晶作为一种新的物质形态最终为人们广为证实和接受,并发现它具有传统晶体所不具备的一些新奇性能。以色列科学家D. Shechtman也因发现准晶而获得2011年诺贝尔化学奖。在准晶研究的前期,由中国科学家郭可信院士领衔的中国准晶研究队伍,一度走在世界前列。如张泽,郭可信在极冷的镍钛合金中独立发现的5次准晶被国际同行称为中国相(China phase)。此后郭可信课题组又首次发现了八次对称准晶, 十二次准晶,一维准晶,并在十次稳定准晶的生长和利用高分辨电镜研究准晶体结构上,取得国际同行赞赏的重要成就。郭可信等也因五次对称性及Ti-Ni准晶相的发现而获得国家自然科学一等奖。

准晶体及两类十次准晶的电子衍射图
何战兵等:十次对称准晶的原子级结构
图 | 我国准晶研究先驱郭可信先生

经过近40年的研究,关于准晶的一些基本科学问题已经得到了解决。然而,准晶领域仍旧有一些难啃的关键科学问题“悬而未决”,成为准晶的基础研究和应用研究向前推进的“卡脖子”问题。我校何战兵教授长期坚持在准晶领域深耕细作,咬定青山不放松,致力于解决准晶相关的一些关键科学问题,近年来做出了不俗的科研成绩,获得了国际赞誉。如国际准晶研究权威瑞士苏黎世理工学院的Walter Steurer教授认为何战兵教授在准晶领域取得了一些堪称“杰出(Excellent)”的研究成果。何战兵等在准晶领域取得的重要成果有:(1)发现一种新的物质形态,扩大了晶体的范畴,丰富了晶体学理论。该新物态将晶体和准晶体结构上的相异性巧妙的融合在一起,化解了传统晶体和准晶体之间“水火不相容”的矛盾。(2)在实验上发现了一种新的准晶准单胞。回答了“准晶体能否有一个像传统晶体一样的单胞?”这一 准晶研究领域的关键科学问题。该成果发表在Nature Communications上,且被遴选为Editors’Hightlights的特色论文。(3)首次发现原子团簇的“旋转木马”跳。国际准晶研究权威W. Steurer教授认为这是一项“杰出的(Excellent)”研究成果。这为利用原子团簇的取向跳跃来调控材料微结构提供了科学依据。该论文发表在经典的晶体学专业期刊Acta Cryst. A上,并被精选为当期唯一一篇“Advances”文章和封面文章。(4)提出一种新的合金设计策略,成功制备出五元近等原子比高熵十次准晶,填补了高熵合金相结构家族中无十次准晶相的空白。为开发新型高熵准晶提供了新的合金设计思路。(5)将准晶材料的脆性大这一缺点变成可利用的优点,开发出一种在甲醇水蒸气重整制氢反应中催化性能优于工业催化剂的高性能低成本绿色催化剂。这种“化腐朽为神奇”的研究思路为准晶的工业应用带来了契机。(6)发现了十多种准晶相关的新的复杂大单胞晶体相;并发现有些大单胞准晶近似相虽然晶体结构不同,但晶格常数却完全相同。(7)发现了迄今为止最大尺寸的原位十次对称结构块,从而为“十次对称的自相似性是如何在实际的晶体结构中实现的”这一问题提供了实验上的证据。

图 | 准晶研究的学术传承

图 | 何战兵等准晶研究成果之一:新的物质形态

图 | 何战兵等准晶研究成果之二:实验发现一种新的准晶准单胞

图 | 何战兵等准晶研究成果之三:首次发现原子团簇的“旋转木马跳”

晚清学者王国维在《人间词话》中说“古今之成大事业、大学问者,必经过三种之境界。‘昨夜西风凋碧树,独上高楼,望尽天涯路’,此第一境也;‘衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴’,此第二境也;‘众里寻他千百度,回头蓦见,那人正在灯火阑珊处’,此第三境也。” 何战兵的准晶研究亦是如此。准晶研究如今已不是时髦的研究方向,在准晶研究的起步阶段,他们势单力薄,起步维艰。然而他们能坐得住冷板凳,能咬定青山不放松,才终于做出一些“从0到1”的原创性科研成果,为我国的准晶研究赢得了国际声誉。他们在准晶领域的恒心和坚持,心无旁骛地从事自己看好的科研方向,也许能为科研工作者带来一些思考。

图 |何战兵等准晶研究成果之三:原子团簇的“旋转木马跳”的期刊封面

图 |何战兵等准晶研究进展之四:准晶及相关结构中的复杂畴

图 | 何战兵等准晶研究进展之四:准晶及相关结构中的复杂畴

图 | 科技日报、光明网、人民日报海外版、中科院网站等报道何战兵等的重要研究成果

科研之外,何战兵亦喜与大家分享一些科研及生活上心得和感悟,如在材料学部倡导下,他于2020年初做了《漫谈科研中的坚守与放弃》学术沙龙;为新金属材料国家重点实验室党支部做了《古诗词中的爱国情怀》的人文报告。这些报告引起了大家的共鸣并获得好评,也为科研生活增添了色彩。


作者:

北京科技大学


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