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他叫何戰(zhàn)兵！

北京科技大學(xué)

2021-10-01 17:42:10 文/饒陽圖/陳夢

北科大有這樣一位老師因為首次發(fā)現(xiàn)一種新的固體物質(zhì)形態(tài)

廣受關(guān)注

近日，他又首次發(fā)現(xiàn)

準(zhǔn)晶體中原子團(tuán)簇的“旋轉(zhuǎn)木馬跳”

這一凝聚態(tài)物質(zhì)中的新奇現(xiàn)象

讓我們一起走進(jìn)他的科研世界

何戰(zhàn)兵：傳承準(zhǔn)晶，鍥而不舍

圖：何戰(zhàn)兵出席諾貝爾獎頒獎典禮

何戰(zhàn)兵，北京科技大學(xué)教授，師從我國準(zhǔn)晶研究先驅(qū)郭可信院士。長期從事準(zhǔn)晶體的基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究，取得多項具有原創(chuàng)性的重要科研成果。如2020年初發(fā)現(xiàn)一種新的物質(zhì)形態(tài)，擴(kuò)大了晶體的范疇，豐富了晶體學(xué)理論。最近又首次發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體中原子團(tuán)簇的“旋轉(zhuǎn)木馬跳”這一凝聚態(tài)物質(zhì)中的新奇現(xiàn)象。他曾在瑞典斯特哥爾摩大學(xué)（合作導(dǎo)師Xiaodong Zou，瑞典皇家科學(xué)院院士）、瑞士洛桑聯(lián)邦工學(xué)院（合作導(dǎo)師Nava Setter, 瑞士工程院院士）、法國工程師名校巴黎綜合理工大學(xué) (合作導(dǎo)師Didier Pribat教授)、安特衛(wèi)普大學(xué)電鏡中心（合作導(dǎo)師G. Van Tendeloo, 比利時藝術(shù)與科學(xué)院院士）從事科研工作，相關(guān)研究成果發(fā)表在Science, Nature Comm., Chem. Mater., Phy. Rev. Lett.等重要期刊上。指導(dǎo)的學(xué)生多次獲國家獎學(xué)金、北京科技大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)生、優(yōu)秀三好學(xué)生、優(yōu)秀研究生干部等。

國務(wù)院總理李克強(qiáng)2021年7月19日考察國家自然科學(xué)基金委員會并主持召開座談會�？偫頃险f：“我們到了要大聲疾呼加強(qiáng)基礎(chǔ)研究的關(guān)鍵時刻。” 他強(qiáng)調(diào)“我們的基礎(chǔ)研究還不厚，原創(chuàng)性還不高，基礎(chǔ)研究和原始創(chuàng)新應(yīng)該擺在關(guān)鍵地位。”

什么是準(zhǔn)晶？公元前一百多年的西漢文帝時代，詩人韓嬰在《韓詩外傳》指出“凡草木花多五出，獨雪花六出”。自然界中的花兒大多呈現(xiàn)五次對稱，而五次對稱在傳統(tǒng)的晶體學(xué)上卻是不允許的，這可以簡單地用正五邊形不能鋪滿整個平面來理解。1982年，以色列科學(xué)家D. Shechtman用透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)了一種具有五次對稱的新的物質(zhì)形態(tài)（1984年發(fā)表），后稱為準(zhǔn)晶，對傳統(tǒng)晶體的概念造成了極大的沖擊。準(zhǔn)晶是一種不具有平移周期對稱性，但具有長程取向有序的物質(zhì)形態(tài)。然而這為傳統(tǒng)的晶體學(xué)所不容，也遭到了諾貝爾獎得主Pauling等的極力反對，但卻得到了我國科學(xué)家郭可信等從實驗上的強(qiáng)有力的支持。準(zhǔn)晶作為一種新的物質(zhì)形態(tài)最終為人們廣為證實和接受，并發(fā)現(xiàn)它具有傳統(tǒng)晶體所不具備的一些新奇性能。以色列科學(xué)家D. Shechtman也因發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶而獲得2011年諾貝爾化學(xué)獎。在準(zhǔn)晶研究的前期，由中國科學(xué)家郭可信院士領(lǐng)銜的中國準(zhǔn)晶研究隊伍，一度走在世界前列。如張澤，郭可信在極冷的鎳鈦合金中獨立發(fā)現(xiàn)的5次準(zhǔn)晶被國際同行稱為中國相(China phase)。此后郭可信課題組又首次發(fā)現(xiàn)了八次對稱準(zhǔn)晶, 十二次準(zhǔn)晶，一維準(zhǔn)晶，并在十次穩(wěn)定準(zhǔn)晶的生長和利用高分辨電鏡研究準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)上，取得國際同行贊賞的重要成就。郭可信等也因五次對稱性及Ti-Ni準(zhǔn)晶相的發(fā)現(xiàn)而獲得國家自然科學(xué)一等獎。

圖|2011：準(zhǔn)晶發(fā)現(xiàn)者Dan Shechtman獲諾貝爾獎

圖 |何戰(zhàn)兵等：準(zhǔn)晶體及兩類十次準(zhǔn)晶的電子衍射圖

圖 |何戰(zhàn)兵等：十次對稱準(zhǔn)晶的原子級結(jié)構(gòu)

圖 |我國準(zhǔn)晶研究先驅(qū)郭可信先生

經(jīng)過近40年的研究，關(guān)于準(zhǔn)晶的一些基本科學(xué)問題已經(jīng)得到了解決。然而，準(zhǔn)晶領(lǐng)域仍舊有一些難啃的關(guān)鍵科學(xué)問題“懸而未決”，成為準(zhǔn)晶的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究向前推進(jìn)的“卡脖子”問題。我校何戰(zhàn)兵教授長期堅持在準(zhǔn)晶領(lǐng)域深耕細(xì)作，咬定青山不放松，致力于解決準(zhǔn)晶相關(guān)的一些關(guān)鍵科學(xué)問題，近年來做出了不俗的科研成績，獲得了國際贊譽。如國際準(zhǔn)晶研究權(quán)威瑞士蘇黎世理工學(xué)院的Walter Steurer教授認(rèn)為何戰(zhàn)兵教授在準(zhǔn)晶領(lǐng)域取得了一些堪稱“杰出(Excellent)”的研究成果。何戰(zhàn)兵等在準(zhǔn)晶領(lǐng)域取得的重要成果有：（1）發(fā)現(xiàn)一種新的物質(zhì)形態(tài)，擴(kuò)大了晶體的范疇,豐富了晶體學(xué)理論。該新物態(tài)將晶體和準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)上的相異性巧妙的融合在一起，化解了傳統(tǒng)晶體和準(zhǔn)晶體之間“水火不相容”的矛盾。（2）在實驗上發(fā)現(xiàn)了一種新的準(zhǔn)晶準(zhǔn)單胞�；卮鹆恕皽�(zhǔn)晶體能否有一個像傳統(tǒng)晶體一樣的單胞?”這一準(zhǔn)晶研究領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題。該成果發(fā)表在Nature Communications上，且被遴選為Editors’Hightlights的特色論文。（3）首次發(fā)現(xiàn)原子團(tuán)簇的“旋轉(zhuǎn)木馬”跳。國際準(zhǔn)晶研究權(quán)威W. Steurer教授認(rèn)為這是一項“杰出的(Excellent)”研究成果。這為利用原子團(tuán)簇的取向跳躍來調(diào)控材料微結(jié)構(gòu)提供了科學(xué)依據(jù)。該論文發(fā)表在經(jīng)典的晶體學(xué)專業(yè)期刊Acta Cryst. A上，并被精選為當(dāng)期唯一一篇“Advances”文章和封面文章。（4）提出一種新的合金設(shè)計策略，成功制備出五元近等原子比高熵十次準(zhǔn)晶，填補了高熵合金相結(jié)構(gòu)家族中無十次準(zhǔn)晶相的空白。為開發(fā)新型高熵準(zhǔn)晶提供了新的合金設(shè)計思路。（5）將準(zhǔn)晶材料的脆性大這一缺點變成可利用的優(yōu)點，開發(fā)出一種在甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)中催化性能優(yōu)于工業(yè)催化劑的高性能低成本綠色催化劑。這種“化腐朽為神奇”的研究思路為準(zhǔn)晶的工業(yè)應(yīng)用帶來了契機(jī)。（6）發(fā)現(xiàn)了十多種準(zhǔn)晶相關(guān)的新的復(fù)雜大單胞晶體相；并發(fā)現(xiàn)有些大單胞準(zhǔn)晶近似相雖然晶體結(jié)構(gòu)不同，但晶格常數(shù)卻完全相同。（7）發(fā)現(xiàn)了迄今為止最大尺寸的原位十次對稱結(jié)構(gòu)塊，從而為“十次對稱的自相似性是如何在實際的晶體結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)的”這一問題提供了實驗上的證據(jù)。

圖 |準(zhǔn)晶研究的學(xué)術(shù)傳承

圖 |何戰(zhàn)兵等準(zhǔn)晶研究成果之一：新的物質(zhì)形態(tài)

圖 |何戰(zhàn)兵等準(zhǔn)晶研究成果之二：實驗發(fā)現(xiàn)一種新的準(zhǔn)晶準(zhǔn)單胞

圖 |何戰(zhàn)兵等準(zhǔn)晶研究成果之三：首次發(fā)現(xiàn)原子團(tuán)簇的“旋轉(zhuǎn)木馬跳”

晚清學(xué)者王國維在《人間詞話》中說“古今之成大事業(yè)、大學(xué)問者，必經(jīng)過三種之境界�！蛞刮黠L(fēng)凋碧樹，獨上高樓，望盡天涯路’，此第一境也；‘衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴’，此第二境也；‘眾里尋他千百度，回頭驀見，那人正在燈火闌珊處’，此第三境也�！� 何戰(zhàn)兵的準(zhǔn)晶研究亦是如此。準(zhǔn)晶研究如今已不是時髦的研究方向，在準(zhǔn)晶研究的起步階段，他們勢單力薄，起步維艱。然而他們能坐得住冷板凳，能咬定青山不放松，才終于做出一些“從0到1”的原創(chuàng)性科研成果，為我國的準(zhǔn)晶研究贏得了國際聲譽。他們在準(zhǔn)晶領(lǐng)域的恒心和堅持，心無旁騖地從事自己看好的科研方向，也許能為科研工作者帶來一些思考。

圖 |何戰(zhàn)兵等準(zhǔn)晶研究成果之三：原子團(tuán)簇的“旋轉(zhuǎn)木馬跳”的期刊封面

圖 |何戰(zhàn)兵等準(zhǔn)晶研究進(jìn)展之四：準(zhǔn)晶及相關(guān)結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜疇

圖 |科技日報、光明網(wǎng)、人民日報海外版、中科院網(wǎng)站等報道何戰(zhàn)兵等的重要研究成果

科研之外，何戰(zhàn)兵亦喜與大家分享一些科研及生活上心得和感悟，如在材料學(xué)部倡導(dǎo)下，他于2020年初做了《漫談科研中的堅守與放棄》學(xué)術(shù)沙龍；為新金屬材料國家重點實驗室黨支部做了《古詩詞中的愛國情懷》的人文報告。這些報告引起了大家的共鳴并獲得好評，也為科研生活增添了色彩。