2019年7月5日，一則消息傳回西安交通大學材料科學與工程學院，讓院長單智偉教授團隊興奮不已。
團隊的最新研究成果——“錐面位錯可主導亞微米金屬鎂的大塑性變形”成功刊發于國際頂級學術期刊《科學》。成果刊發的消息一出，立刻引發業界的廣泛關注，西安交通大學官網對于此項成果的報道點擊量也迅速破萬。
“我們的研究發現，塑性差并不是鎂的固有屬性，通過提高流變應力促進位錯形核和滑移，可以是行之有效的增塑方法。”本研究通訊作者之一單智偉表示。
鎂之塑性
鎂，是最輕質的金屬結構材料，其密度與一些塑料相近，由于具備可降解易回收、電磁屏蔽、生物相容性、高阻尼等優點，因而在航空航天、汽車、高鐵、電子產品和醫療等領域具有廣闊的應用前景。
但是，相比于傳統的金屬材料，鎂卻有一個難以克服的“軟肋”——塑性較差，這使得型材和零件的變形加工困難，工藝成本高，從而嚴重制約了鎂作為結構材料的廣泛應用。
當前主流觀點認為，塑性差是鎂的固有屬性，原因是鎂中的錐面位錯（一種晶體缺陷）會自發地分解為不可滑移的結構，無法協調塑性變形。因此，想要提高塑性，就必須要通過添加某些特定的元素來調節錐面位錯的行為。
與此同時，也有一些學者持不同觀點，認為錐面位錯是有效的塑性變形載體，只要能促進錐面位錯的形核和滑移，鎂的塑性就可以提高。
上述爭議已經直接影響到下一代高塑性鎂合金的設計思路和技術路線，因而成為一個急需解決的科學難題。但是，由于錐面位錯的幾何形態和結構非常復雜，很難通過實驗進行全面的解析，加之此前的研究通常以計算機模擬為主，相關觀點和推論均缺乏有力的實驗證據，因此這一難題遲遲未能得到攻克。
電鏡之美
直觀來看，金屬結構材料的研發與應用往往是宏觀的，是看得見的；而原位透射電鏡的觀察與測試則是微觀的，是納米和原子級的。兩者似乎并不相干，甚至從微觀到宏觀隔著“世界上最遙遠的距離”。
“但實際并非如此。如果我們合理地找到研究領域，找到研究的關鍵問題，原位電鏡技術就可以在金屬結構材料研究中發揮非常巨大的作用。”本研究第一作者之一、西安交通大學青年教師劉博宇指出。
于是，針對上述難題，西安交通大學單智偉團隊經過廣泛調研和深入討論，決定采用原位電鏡納米力學測試技術來解決樣品幾何形變、微觀結構演化以及力學曲線三者之間一一對應的難題。
首先，研究團隊選取合適的加載方向來消除其它位錯的干擾，采用梯度樣品設計來解決捕捉和表征單根位錯難的問題，然后運用三維圖像重構技術來解決位錯滑移面不易確定的難題，并通過對比力學曲線的方式澄清了電子束影響的問題。
得益于這些有針對性的實驗設計，研究團隊以令人信服的結果，證明了最起碼對亞微米尺度的純鎂而言，各種類型的錐面位錯（刃、螺、混合型）不僅可以滑移，而且可以導致非常大的塑性變形。與塊體材料相比，微納米樣品呈現出更高的屈服強度和流變應力。
據此，研究團隊推測，高應力促進了錐面位錯的形核和滑移，進而提高了測試樣品的塑性。通過進一步深入分析，研究人員不僅確定了位錯的滑移面，而且還清晰地觀察到錐面位錯的交滑移、位錯偶極子的形成以及位錯往復運動等此前尚未報道過的重要現象。
“研究不僅為完善鎂的塑性變形理論提供了重要的實驗數據，更為高塑性鎂合金的開發帶來了新的啟發。”單智偉表示。
與此同時，這一研究也向人們證明，原位電鏡技術可以搭建微觀測試與宏觀性能之間的橋梁，為許多科研工作帶來啟發。
堅持之美
在此次發表于《科學》的研究中，劉博宇為論文的第一作者、博士研究生劉飛為共同第一作者，單智偉、澳大利亞莫納什大學教授聶建峰以及美國內華達大學教授李斌為論文的共同通訊作者。
九層之高臺，起之于壘土。任何科學突破的取得，從來都不是一蹴而就的。近年來，單智偉研究團隊依托西安交通大學材料學院、金屬材料強度國家重點實驗室、西安交通大學微納中心和陜西省鎂基新材料工程研究中心，堅持不懈地開展了一系列富有成效的基礎研究、技術攻關和成果轉化，這些都為如今的突破奠定了基礎。
2014年，研究團隊發現了鎂中不同于位錯和孿晶的室溫變形新機制，成果發表于《自然·通訊》，并榮獲美國TMS學會鎂分會年度“最佳基礎研究論文獎”。隨后，團隊乘勝追擊，系統研究了鎂合金中析出相形貌對孿晶行為的影響，進而發展了一種判斷鎂合金強塑性的簡單判據，成果發表于《材料科學技術》。
2018年，單智偉研究團隊發現通過活化二氧化碳，可以在室溫下將鎂表面的氧化層或腐蝕產物轉變成一種致密的保護膜層，不僅可顯著提升鎂及其合金的抗腐蝕性和強韌性，而且能夠大幅提高鎂的抗氧化能力，從而發明了一種綠色、低成本鎂合金涂層新技術，成果發表于《自然·通訊》，并獲得國家發明專利授權。
針對原鎂冶煉工藝落后、自動化程度低和環境污染嚴重的現狀，單智偉帶領團隊提出并驗證了原本需要在真空條件下進行的原鎂冶煉可以在常壓進行，并與華西能源公司聯合攻關，開展了原鎂常壓生產的工業化裝置開發。
針對原鎂雜質元素種類多、含量高、波動大的痼疾，單智偉團隊從原子機理出發，開發出全新的工藝流程，可在不顯著增加成本的情況下，從料球直接生產出99.99%以上純度的高純鎂，革新了此前領域內普遍認為“皮江法”（硅熱還原法）不能直接生產高純原鎂的認知。上述成果的推廣和應用，有望從整體上提升鎂基產品的質量和性能�！�