Science咖啡沙龙·中国系列线下活动第④期|先进透射电子显微技术引领材料科学新发展

教育   2024-04-18 15:33   重庆  


材料科学问题的新理解往往依赖于新型的表征技术的开发;而透射电子显微镜技术是最重要的材料表征技术之一。传统透射电镜技术在表征样品的微观组织方面常受到表征的空间维度、时间维度、时空分辨率的限制,这些表征难点已成为材料科学进一步发展的瓶颈性问题。近年来,三维透射电镜技术、原子尺度原位力学透射电镜技术、低剂量高分辨透射电镜技术的快速发展,使得材料在纳米至原子尺度的多维度微观组织演变得以揭示,带动了纳米金属材料、高强韧金属材料、高电子束敏感材料等方面的研究进展。

为促进先进透射电子显微技术及相关领域科研工作者的合作和交流,由Science/AAAS主办,重庆大学材料科学与工程学院承办的第Science Café in China(《科学》咖啡沙龙·中国系列)线下活动将于2024年4月26日在重庆大学召开。

本期《科学》咖啡沙龙邀请了重庆大学、华南理工大学、南方科技大学和北京工业大学等单位的三位专家报告他们最近在《科学》杂志上发表的有关电子显微成像技术的科研进展,共同探讨材料研究和创制的持续发挥。

本期主题透射电镜:三维、原位、高分辨,引领材料科学新发展
时间:2024年4月26日,上午9:00-10:50
本次沙龙的语言为汉语,线下会议结合线上同步直播。欢迎大家在会议期间进入Science B站直播间观看会议!




活动简介
Science Café in China科学咖啡沙龙中国系列是由Science/AAAS主办的公益科学交流会。每期选定一个主题,由近期在Science系列期刊上发文的作者以报告的形式分享介绍研究工作,以期待与同行的学术交流,思想碰撞,同时帮助更多其他领域研究者甚至产业界相关工程技术人员了解前沿进展,探讨学术与产业融合的机会。


本次直播将在Science B站号进行
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专家介绍及报告摘要

黄晓旭,重庆大学教授。曾就职于丹麦Risø国家实验室和丹麦技术大学二十多年,2011年被聘为重庆大学材料科学与工程学院教授并担任院长(2011-2023)。长期从事金属物理、晶体学、晶体缺陷、固态相变、纳米金属、力学性能等领域的基础科学研究,同时致力于开发基于电子显微镜和同步辐射X射线衍射的多维多尺度表征技术。发现和解释了纳米金属加工软化和退火硬化、极限强度、变形机理几何尺寸效应、高压细晶强化、纳米晶塑性变形晶格异常转动等金属物理新现象,开发了透射电镜三维晶体学取向重构和衍衬像重构等系列先进表征技术。发表论文300多篇,包括7篇Science2篇Nature35篇Acta Materialia。主持国家重大科研仪器研制项目、十三五国家重点研发计划项目、十四五国家重点研发计划项目和国家自然科学基金委重点项目等,担任第八届再结晶与晶粒长大国际会议主席。担任Nano Materials Science副主编、中国科学:技术科学中、英文版编委和Materials Research Letters、Journal of Magnesium and Alloys编委。获得中国科学院金属研究所李薰研究奖和2012 Microscopy Today Innovation Award。


报告题目:三维透射电子显微镜技术的研发及其在金属材料研究中的应用

摘要:透射电子显微镜是分析表征材料微观组织结构的有力工具,其基本功能是成像、衍射和光谱学。透射电镜获得的基本信息是三维组织结构的二维投影,而在过去二十年中,电子显微学已发展了基于成像和光谱学的一系列三维重构方法和技术,实现了在透射电镜下对材料组织形貌和化学成分的三维表征与解析。然而,对透射电镜中三维晶体衍射信息的解析及其和三维形貌的关联分析一直发展缓慢,难以对材料内部晶粒、界面、晶体缺陷等微观组织的三维形态和晶体学特性实现耦合定量表征,制约了对材料构效关系的深入理解。针对这一材料表征领域的共性难点问题,我们团队研发了以晶体学取向三维重构和位错衍衬像三维重构为代表的系列三维透射电镜表征新技术与新装置,开发了三维晶体学解析算法和软件,实现了纳米尺度下材料微观组织形态与晶体学特性的三维定量集成表征。在本报告中,我们将举例展示三维透射电镜技术在研究纳米金属塑性变形机制和精确表征铝合金中位错环晶体学特性中的应用和新发现,进一步阐述三维表征技术在微观结构精确和完整表征中的重要性和必要性。最后将对三维电镜技术与原位技术相结合发展四维表征技术的前景进行展望。


文章链接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj2522

https://www.science.org/doi/10.1126/science.1202202

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj0141


韩晓东教授长期从事材料力学行为及原子层次机理等基础科学问题研究及相关原位显微方法学和实验技术攻关。小组原创发展了系列材料力学行为的原子层次原位动态表征方法,基于球差电子显微镜,系统地将材料力学行为表征技术的空间分辨率由纳米提高至皮米尺度。研究小组开发了具有自主知识产权的透射电子显微镜力学实验技术与相关仪器系统,被50余个国内外科研院所和研究小组应用,部分相关成果获2016年北京市科学技术奖一等奖,北京市创新创业特别贡献奖等;发现材料弹塑性原子层次机理,发现晶界及孪晶界塑性原子机制,相关成果获国家自然科学二等奖(2021);发现界面塑性原子机制,针对国家重大战略需求发展高强韧材料体系,发展苛刻使役条件长寿命镍基单晶高温合金。关键技术获国内外授权专利33项,其中美国专利3项,国际PCT专利1项;在Science(4篇)Nature、《自然》子刊(22篇)、《物理评论快报》、《先进材料》等高影响力学术期刊发表论文280余篇;承担国家重点研发计划项目,国家重大科研仪器设备研制专项课题、国家自然科学基金委航空发动机重大研究计划重点项目、科学仪器基础研究专项等。培养2名全国百篇优秀博士学位论文奖及提名奖,北京市优秀博士学位论文奖5项等。


报告题目:原子分辨原位力学实验系统:发展强韧化金属材料


摘要:材料科学的发展在很大程度上影响着人类的文明程度。识别材料微观结构信息的显微科学技术又很大程度影响材料科学的进步。光学显微镜在16世纪出现,由打磨镜片的眼镜商发明。虎克用自制的光学显微镜观察植物的微观组织结构,对植物学贡献巨大。光学显微镜对钢的组织结构研究发挥了很大作用,其可以识别金属材料中的晶界组织形貌。但对现代材料科学乃至整个科学界、乃至人类文明的革命性推动作用的却是现代显微科学和技术的出现,其标志是19世纪末电子和X-ray的发现和其后的电子显微镜、X-ray成像仪和X-ray衍射仪器的发明和制造,随后相关的诺贝尔奖超过30项。这些技术在过去的百年历史中都有长足的进步,例如:同步辐射光源已经发展至高亮度、高相干性、白光的三、四代光源,透射电镜的球差技术已经将空间分辨率提高至亚埃尺度,可以识别单个原子/柱/阵列的排列、组合、化学成分甚至价态、电子分布信息。然而,这些技术大多数还是结构信息识别,现象、功能与性能的高空间分辨测量与表征仍然极具挑战。物理学、化学、材料科学、力学、生命科学等是过程科学,是研究物质的微观结构及结构单元在外场激励、环境/介质作用下演化、之间相互作用的科学,是动态过程的科学。其迫切需要外场激励、环境作用下,高空间分辨、高能量分辨和高时间分辨的微观科学仪器。


我们研究小组长期从事材料功能与性能的高空间分辨测量与表征,聚焦材料力学行为的原子分辨技术的发展、相关科学问题研究及发展高强韧性结构材料体系。这里报告团队发展的基于球差透射电子显微镜的原子分辨晶界与孪晶界塑性测量与表征技术、装置与科学仪器,同时报告晶界与孪晶界原子分辨的力学行为演化规律及科学发现:结构低对称性的晶界承载塑性的原子机制是通过晶界位错攀移的转动机制、晶界原子转移的直接滑动机制和晶界迁移机制等。对于高对称结构的固态界面-孪晶界,其形变孪晶形核的原子机制、孪晶界面迁移规律,孪晶界面与位错的相互作用及相变规律等。依据这些科学发现,团队提出混合焓合金化概念和策略,发展先进高强韧金属材料体系:例如,大加工硬化率难熔体心材料体系(屈服强度1.4 GPa,均匀延伸率超过20%),优良蠕变性能的多代次镍基单晶高温合金(1100度-137 MPa,>800小时)、优异性能钛合金(屈服>1.6 GPa)、高强韧性高耐蚀不锈钢体系等。


文章链接:
https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.1228602
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aas8815

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm2612


韩宇教授于2003年在吉林大学获得博士学位,2003-2008年在新加坡A-Star任研究科学家,2009至2023间,就职于沙特阿卜杜拉国王科技大学,是化学和化学工程系教授。2023年9月,入职华南理工大学,任电子显微中心主任。


韩宇教授主要从事多孔材料的合成与应用(催化、分离、水处理),以及电子束敏感材料的高分辨电子显微成像方面的研究,是超低剂量电子显微成像技术的联合发明人。发表学术论文400余篇,其中包括权威期刊如Nature、Science、Nature Nanotechnology、Nature Chemistry、Nature Materials等,总引用次数超过40,000,H-index为106。韩宇教授2004年被麻省理工学院《科技评论》杂志评选为百名青年发明家,2006年获新加坡青年科学家奖;2008年获Thomson Reuters Research Fronts Award(汤姆逊研究前沿奖);2016年被评为中国教育部长江学者讲座教授;2021年获得德国洪堡研究奖;2019-2023连续5年科睿唯安(Clarivate Analytics)高引学者。


报告题目:敏感材料的电子显微成像


报告摘要:本次报告将介绍我们团队关于使用超低电子剂量电子显微技术对电子束敏感材料进行高分辨率成像的研究工作,主要讨论以下技术进展。首先,基于电子直读相机的使用、以及图像采集和图像处理方法的创新,我们开发了超低剂量透射电子显微技术(Ultralow-dose TEM),从而首次实现了对电子束高度敏感的晶态材料的原子分辨率成像。其次,我们证明了积分差分相位衬度扫描透射电子显微成像技术(iDPC-STEM)可以在低剂量条件下为电子束敏感材料获取直接可解释的原子分辨率图像。第三,我们发展了一套基于冷冻聚焦离子束(cryo-FIB)技术的TEM样品制备流程。这种方法有效地扩展了低剂量成像技术的应用范围,从纳米材料延伸至体相材料。本次报告的最后,我将讨论4D-STEM在高度电子束敏感材料成像方面的巨大潜力,并提供初步实验结果以证明其可行性。


文章链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3183

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aao0865


本期特约主持人

黄天林,教授,重庆大学电镜中心副主任,超瞬态装置实验室副主任,材料基因工程重庆市重点实验室主任。主持国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金面上项目和重庆市自然科学基金重点项目,作为核心成员参加国家重大科研仪器设备研制专项项目一项、国家自然科学基金创新研究群体项目一项。在Nature、Science、Acta Materialia、Scripta Materialia等学术期刊上发表论文50余篇。


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