圖：JEM-200CX 高分辨率電子顯微鏡丨來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

從打鐵的工藝到冶金的科學(xué)

毫無(wú)疑問(wèn)，高分辨率電子顯微鏡在材料科學(xué)中的作用極為關(guān)鍵，而材料已日漸成為了一個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略科技力量的重要組成部分。當(dāng)下，“（我們國(guó)家的）很多領(lǐng)域使用的材料，只要是高端的，都不行?！弊鳛橐晃恢牟牧峡茖W(xué)家，張澤院士說(shuō)出這樣的話，無(wú)疑是痛心的。我國(guó)高端材料嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口，為此張澤舉了最常見(jiàn)的玻璃材料作為例子。同樣是玻璃，建筑玻璃便宜， 是按噸賣(mài)的，而到了用于眼鏡、透鏡等的光學(xué)玻璃就不一樣了，價(jià)格直線上漲。再往上，用玻璃纖維做激光手術(shù)刀，就更貴了，是按克賣(mài)的。貴在哪兒？“是科技含量，而我們現(xiàn)在科技含量最好的，也就在中游，到不了中高檔，這是由整個(gè)產(chǎn)業(yè)決定的”，張澤解釋道，比如最近呼聲很高的 C919 大飛機(jī)，其核心的航空發(fā)動(dòng)機(jī)也不是完全國(guó)產(chǎn)自研的。為什么？很大的原因是材料不行，“光是發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片就無(wú)法國(guó)產(chǎn)”。

為什么會(huì)這樣呢？究其原因，張澤院士認(rèn)為是知識(shí)結(jié)構(gòu)與認(rèn)知的缺失，是因?yàn)椤安牧蠁?wèn)題就是工藝問(wèn)題”的淺薄認(rèn)知普遍存在。張澤院士舉了兵器鍛造的例子生動(dòng)地說(shuō)明了這一點(diǎn)。作為一門(mén)傳統(tǒng)工藝，“漫長(zhǎng)的鐵器時(shí)代中我們看到的都是鐵匠將鐵放進(jìn)火爐燒，然后用錘子反復(fù)敲打，最后放進(jìn)水里‘呲啦’一聲完成淬火，卻沒(méi)有人能說(shuō)清楚鐵怎么就由軟變硬了”，其中火爐的溫度、加熱的時(shí)長(zhǎng)、敲打的力度、淬火的冷卻速度等等，都是未知數(shù)，全憑鐵匠師傅的感覺(jué)。而這個(gè)問(wèn)題的解決還是近一二百年，最終依靠顯微鏡看到了原子結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們才終于知道硬度的變化來(lái)源于鐵器中鐵與碳的結(jié)構(gòu)變化。“這個(gè)傳統(tǒng)的工藝問(wèn)題是經(jīng)過(guò)了上百年，才最終依靠科學(xué)的儀器、科學(xué)的方法得以解決”，張澤說(shuō)道，這才叫“知其然而知其所以然”。

圖：打鐵的傳統(tǒng)工藝丨來(lái)源：pexels.com & j.mt_photography

工藝問(wèn)題本質(zhì)上還是科學(xué)問(wèn)題，而要解決科學(xué)問(wèn)題，頂級(jí)的科學(xué)儀器必不可少。當(dāng)下，國(guó)際局勢(shì)復(fù)雜動(dòng)蕩，而“高端科學(xué)儀器 90% 以上依賴(lài)進(jìn)口”的我們，被“卡脖子”的問(wèn)題日益突出，許多高端儀器被禁止向中國(guó)出口，而即使是高價(jià)進(jìn)口的儀器，也面臨著沒(méi)有專(zhuān)業(yè)人員維保和配套部件短缺的問(wèn)題。

在這種嚴(yán)峻的形勢(shì)下，“科學(xué)的飯碗就是科學(xué)儀器，我們的飯碗必須端在自己手里”，張澤院士斬釘截鐵地說(shuō)道。也正是由于這個(gè)原因，他從 2013 年開(kāi)始申請(qǐng)并牽頭了“針對(duì)若干國(guó)家戰(zhàn)略需求材料使役條件下性能與顯微結(jié)構(gòu)間關(guān)系的原位研究系統(tǒng)”國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“重大項(xiàng)目”），不僅要看清“鐵”的顯微結(jié)構(gòu)，更要看清在不同溫度、不同應(yīng)力下“打鐵”全過(guò)程的顯微結(jié)構(gòu)變化與性能表現(xiàn)，找到兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，做一個(gè)原位、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、多場(chǎng)作用下的“可視化鍛壓機(jī)”?！拔覀儺?dāng)時(shí)提出了兩個(gè)指標(biāo)”，張澤院士講到，一千多度的溫度和一百多兆帕的應(yīng)力，直接對(duì)標(biāo)“航空發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪葉片最敏感的部分所受到的溫度和應(yīng)力”。這看起來(lái)是工廠制造的范疇，但從科學(xué)的角度來(lái)看，其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)才是根本性的影響因素，也必須與核心需求結(jié)合起來(lái)。

該項(xiàng)目最終于 2019 年超預(yù)期結(jié)題，取得了原子點(diǎn)陣分辨高溫力學(xué)原位研究系統(tǒng)和納米分辨高溫力學(xué)原位研究系統(tǒng)兩項(xiàng)國(guó)家重大科技成果，在電鏡腔內(nèi)最高測(cè)試溫度、最大施加載荷等多項(xiàng)參數(shù)上都突破了世界最高水準(zhǔn)，讓我國(guó)擁有了集材料顯微結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)性能測(cè)試于一體的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、跨尺度的國(guó)際領(lǐng)先電子顯微平臺(tái)。

圖：重大項(xiàng)目報(bào)告丨來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)官網(wǎng)

如果換作別人，故事或許到這里就圓滿結(jié)束了，后續(xù)最多就是將研發(fā)的儀器設(shè)備對(duì)外開(kāi)放使用。但張澤院士認(rèn)為這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，“這充其量就是自己跟自己玩，你把自家的廚房弄好了，別人家的廚房還是不行”。俗話說(shuō)，“造船不如買(mǎi)船，買(mǎi)船不如租船”，在特定歷史條件下這或許是正確的選擇。不過(guò)多年以來(lái)，我們憑借國(guó)家的雄厚財(cái)力大量購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的儀器，過(guò)度依賴(lài)進(jìn)口，如今終于面臨被“卡脖子”、突然斷供的尷尬境地。造成這樣的處境，張澤院士認(rèn)為最根本的原因在于，“很多人并不真正相信科技就是生產(chǎn)力”。