跨界3个专业，她完成高难度实验发《科学》

“这个实验真的可以完成吗？我得去现场看看！”

美国工程院和英国皇家工程院院士、英国皇家科学院院士、美国劳伦斯伯克利国家实验室教授Robert O. Ritchie为何如此激动？

原来是有人设计出了一项他们一直想做却没能做的实验——在零下253摄氏度（20开尔文）的低温环境中，揭示CrCoNi基中熵和高熵合金具的断裂韧性，并展示合金裂纹的扩展和断裂全过程。

提出实验方案并主导完成这一实验研究的，是英国布里斯托尔大学物理学院年轻的副教授刘栋。12月2日，完整的研究成果在Science发表，刘栋是论文的第一作者，Robert O. Ritchie是论文的通讯作者。

中国科学院金属研究所研究员张鹏和张哲峰受Science邀请，为这篇论文撰写了评述文章《在严寒中变得坚强》（Getting tougher in the ultracold）。在阅读这篇论文前，张哲峰非常好奇：“研究人员是如何设计实验的思路，特别是怎么想到这个合金成分韧性会比其他成分高呢？”

“这项研究十分了不起，作者应该是一位女中豪杰！” 张哲峰在接受《中国科学报》采访时候透露，“自己并不认识刘栋，她能够完成这项工作很不容易，这需要有材料韧化理论和机制支撑，不然都是徒劳！”

此前没有其他团队可以完成实验

为什么Robert O. Ritchie一定要去现场看一看实验设计呢？

“因为他与合金材料的提供者、美国橡树岭国家实验室和美国田纳西大学研究员EasoP.George，曾被其他国家的一些实验室团队口头承诺过很多次。如今，他们对这个实验完成的可能性已经‘心灰意冷’。”刘栋笑着告诉《中国科学报》。

RobertO.Ritchie和EasoP.George研究高熵合金已有多年，并且发现高熵合金在77开尔文低温下相对于常温有更好的断裂性能，因此他们推断在更低温度下材料的断裂韧性有可能会更好。

刘栋介绍：“我们开展实验前也有团队曾经尝试过，但大多以失败而告终，甚至有些实验不了了之。所谓希望越大失望越大，这也是Robert O. Ritchie一定坚持要到现场的原因。”

“这个实验我们做了两年多，也经历过挫折和挑战，但我们没有放弃，而是选择坚持到底。” 刘栋团队不仅最终完成了实验，还发现了精彩的断裂过程。

这项研究发现，在20开尔文下CrMnFeCoNi和CrCoNi的裂纹萌生断裂韧性分别为262和459（MPa/m²），其中，在2.25毫米的稳定开裂后，CrCoNi显示出超过540MPa/m²的裂纹扩展韧性。

“我们的实验结果显示，CrCoNi合金的裂纹扩展韧性值是有史以来最高的。”刘栋说，“这个材料将来会在极端寒冷的环境中有非常大的应用价值。”

刘栋博士毕业照（受访者供图）

设备+材料+方法=成功

关于高熵合金，曾有科普文章做过解释：当原子处于“整齐站队”的有序状态时，合金体系处于“低熵”的状态；当合金的原子处于“自由活动”的无序状态时，合金体系则处于“高熵”状态。

传统合金由一种主要金属混合少量其他金属，而高熵合金通常由五种金属（中熵合金通常由三种金属）以大致相等的比例混合而成，也因此具有优良的性能，如高强度、高韧性和耐腐蚀。

文献资料显示，高熵合金概念最早出现于2004年。来自牛津大学的材料科学家Brian Cantor团队和来自台湾清华大学的材料科学家叶均蔚团队，分别在论文中介绍了高熵合金。随后，高熵合金成为材料界关注的研究宠儿。

论文发表前，刘栋已经做了6-7年的相关极端工况下材料的力学机理研究工作，比如在极端高温1200摄氏度下，利用三维电子计算机X射线断层扫描技术，获得一些航空和核反应堆陶瓷和复合材料的断裂机理。

在这项研究过程中，不仅需要准确定位所需要使用的设备，并且需要大胆的创新和反复实验，利用自己掌握的专业知识，对材料的机理做了深入透彻的研究。

谈及实验难点，刘栋表示，最大的困难就是设计这个实验。“我们要观察合金在20开尔文低温下的断裂韧性，但是极端低温开展裂纹扩展韧性实验本身就很难，我们不仅要设计出能够符合美国材料实验协会标准的试样尺寸和加载零部件，还需要找到合适的位置来镶嵌热电偶准确测量试样本身的温度。”

为了观察到裂纹的生长过程中的相变，刘栋团队还利用了中子散射来同步测量。她说：“在中子散射同步测量上，英国卢瑟福•阿普尔顿实验室（RAL）的Saurabh Kabra博士给了我们很大的帮助。我的两个博士研究生蒋明和Paul Forna Kreutzer对于实验和数据分析也做出了贡献。他们都是文章的共同作者。”

关于为什么CrCoNi合金成分韧性会比其他合金成分韧性高？刘栋解释道，其团队通过研究发现，这些合金通过变形机制、位错滑移、层错形成、纳米孪晶和相变的渐进协同作用，发展了抗断裂能力，这些协同作用可延长应变硬化，同时提高强度和延展性，从而产生优异的韧性。

她还透露，如果能够大批量生产，CrCoNi基合金的潜在应用包括液态氢的长距离运输材料、在太空的寒冷环境下开展工作材料、液化天然气跨海运输材料等。另外，这是一项开创性的研究工作，未来可以指导研究人员设计相关耐损伤的材料。

不要被一个专业禁锢

“如果没有相关的力学、材料和物理知识，要完成这么高难度的实验，并完成对材料机理的解读，是非常困难的。”

12月1日，在接受《中国科学报》记者采访前，刘栋刚给布里斯托尔大学物理学院大四学生上完一节应用材料物理学课。她称，如果学生能具备物理、材料以及力学基础，他们将拥有非常强大的知识组合，有利于进一步开展科研工作。

刘栋自己就是一位跨界学者。

她本科以学科第一名的成绩毕业于北京科技大学土木工程专业，这给了她很扎实的力学基础。她博士毕业于英国布里斯托尔大学机械工程专业，主要研究飞机发动机涡轮叶片表面的陶瓷涂层，在此期间她学习了很多材料和物理知识。

谈及为什么要换专业，刘栋表示：“当时就是想尝试一个新的研究方向。如果导师觉得我能胜任，那我就会全力以赴。”

她不仅积极投入新领域的学习和研究中，并且在36个月后顺利提交了博士论文，期间发表了近10篇文章。

刘栋在读博期间，对涂层中的残余应力以及裂纹的产生和生长模式十分感兴趣，希望自己可以在这个方向做更深入研究，但她又没有急于将自己禁锢于这样一个特定的研究领域。

博士毕业后，刘栋申请到项目留在布里斯托尔开展博士后研究工作，她的研究对象是核石墨材料——这种材料主要应用于核反应堆堆心。她在研究中意识到，尽管这一类材料在高温下工作，但目前似乎还没有研究能够实时观察到它们在这些温度下是如何损坏和断裂的。

基于这些研究理念，刘栋向英国1851皇家展览委员会提交了项目资金申请，免试入选并成为了皇家展览委员会布鲁诺研究员，前往牛津大学开展更进一步的研究。

2016年，她申请到英国工程与物理科学研究基金会研究员项目，成为项目独立负责人。同年，她免试入选牛津大学Mansfield College Junior Research Fellow。

这些宝贵的经历对刘栋发展自己的创新研究理念，建立自己的国际合作团队，并成长为一个独立的学者起了很大的作用。

2018年，刘栋成功申请到布里斯托大学物理学院永久教职。现在她已经靠自己获得的项目经费建立起了独立的研究团队，带领一支十多人的团队专门研究各种复杂材料在极端工况下的微观结构和力学行为。

2022年初，刘栋开始担任布里斯托大学物理学院材料与器件方向的负责人，并在2022年夏天成功晋升到Reader/Associate Professor职位。

“从土木工程到机械工程，再到物理学，横跨了三个专业，因为我不想让自己的视野局限在一个领域。”刘栋说，“我喜欢学习新的知识，也喜欢探索新领域。”

科学没有边界，学习永无止境。

刘栋表示，如今自己带领的团队有学化学的、学物理的、学材料的，不同专业的知识可以让他们不受单一专业的禁锢，在探索新事物过程中找到更好的解决方案。

相关论文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp8070

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf2205