奔跑的追梦人——记香港城市大学材料科学与工程系助理教授杨涛

户 万

杨涛在香港研究资助局杰出青年学者颁奖现场

小到个人衣食住行，大到国家和社会的工业生产，各种各样的材料是人类生活中必不可少的物质。18世纪中叶，在对铜、铁、钢等材料的开发和应用基础上，瓦特改良了蒸汽机，开创了以机器代替人工的工业浪潮；19世纪下半叶，以合金钢、铝合金及各种非金属材料发展为前提，内燃机问世和电的应用使交通运输业得到了突破性的发展；后来，合成材料、半导体材料、光电子材料的发展使人的通信方式、出行方式、生产方式都发生了翻天覆地的变化……石器、陶器、青铜器、铁器、高分子器件……生产材料的更新换代，推动了人类社会的变革，促进了人类文明的发展。可以说，人类文明的发展史就是一部认识材料、利用材料、创新材料的历史。

对材料的认识和利用的能力，决定着社会的形态和人类生活的质量。因此，人类从未停下过改进现有材料的步伐，从未有一刻放弃过寻找和创造更好的材料的方法。香港城市大学材料科学与工程系助理教授杨涛及其团队成员，正是这样一群以发展新材料为己任的追梦人。聚焦先进金属结构材料及其制造技术的创新设计与应用，为实现“核心材料中国造”的材料强国梦添砖加瓦，他们一直在路上。

书籍开启科研梦

早在少年时期，杨涛就许下从事材料学研究的心愿。

1999年，国内第一本全彩印刷的国防军事类科普期刊——《兵器》出版发行。其内容丰富多彩、形式新颖，带给广大读者强烈的视觉冲击的同时很快流行开来。这也是少年杨涛最喜爱的书籍之一。从这些科普文章中，杨涛得知：在常规兵器用材料中，金属材料约占80%，其中又以钢铁材料占主导地位。但是，随着兵器的现代化发展，高性能的有色金属装甲材料、结构特殊功能材料和复合材料也对武器战术技术性能的提高展现出越来越大的作用。例如：铝合金是武器轻量化首选的轻质结构材料，金属间化合物可用于制造多种耐热零部件，钨合金可使各种穿甲弹具有更强大的穿击威力……关于材料的神奇与用途，他越是了解，就越是痴迷。

杨涛是个目标明确的人。基于自身的“军事迷”属性，从本科时期下定决心“去看一看更广阔的世界，尝试做出一点新的东西”的那一刻开始，他就瞄准了高温合金方向。

高温合金通常是指能在600℃以上的高温下及一定的应力作用下长期工作，具有抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变等性能的一类合金材料。其军工应用占比八成，广泛应用于军用航空、航天发动机、舰船和工业用燃气轮机的核心热端部件，是国防现代化的重要支撑。在厦门大学攻读硕士学位时，杨涛主要跟随王翠萍教授和刘兴军教授从事金属材料金相分析、高温材料组织稳定性设计等研究。这是他主动选择、一心向往的结果。写满的笔记见证了他厚积沉淀的过程，深夜的灯火照亮了他前行攀登的方向：“如果想要继续实现心中的想法，仅凭我硕士生水平的知识储备，是远远不够的。”

杨涛是个善于主动出击的人。既然已经做出决定，他便迅速行动起来联系国内外高温合金方向的知名学者，努力争取更上一层楼的机会。

杨涛（左）与刘锦川院士合影

一次在厦门大学举办的学术会议让杨涛有幸结识他后来的博士生导师刘锦川教授。刘锦川教授是国际材料界具有重要影响的杰出科学家，在金属间化合物、贵金属合金设计和大块金属玻璃材料等领域均作出了开创性的贡献，曾因为推动中国科学家在相关领域的研究迅速进入国际先进水平而荣获2006年中国政府友谊奖。“刘老师是做高温合金、金属间化合物出身的，他也是我一直以来非常崇拜的学者之一。”杨涛说，“之所以能够加入刘老师的课题组，一方面得益于这次会议上的机缘巧合，一方面也要感谢我的硕士生导师刘兴军老师的推荐。加入后，我就一直从事高温合金研究，并在后来慢慢拓展了超低温合金等面向极端环境应用的研究方向。”

这是一段厚积薄发的博士生涯。没有人能够说得清，金属这个古老的材料到底是在何时第一次为人类所用。但从目前已发现并证实的考古资料中可以确定，早在距今三千多年前的商朝时期，我们的先祖就已经创造出辉煌灿烂的青铜文化。金属材料的相关理论发展至今已十分成熟，其中尚未突破的难题每一个都是“硬骨头”。

不断尝试，反复验证，在失败中总结经验，是唯一通向成功的道路。而在看不见尽头的失败中，信念是关键，坚持是根本。杨涛坦陈：“其实在2018年的一项研究中，我们已经失败了太多次，大家有些心灰意冷。是刘老师始终如一的鼓励和支持，加上大家自身对专业的热爱，让我们坚持到了最后。”这一年，杨涛终于迎来“春暖花开”的时刻——他创新性地提出了“多组元纳米颗粒反常增韧”合金设计新思路，开发了高强、高韧析出强化高熵合金，并以第一作者身份将成果发表于《科学》（Science）。相关成果得到国内外同行的高度评价，被国内外媒体广泛报道。

时光不负赶路人。2020年，杨涛获评香港高等研究院杰出博士后研究员，斩获香港高等研究院“明日之星奖”；2021年，他荣获香港研资局“杰出青年学者奖”；2022年，他获得国际材料研究学会联盟“青年科学家奖”，是2022年度香港地区唯一的获奖者。以自身成长历程为例，他勉励广大学子：“在科研过程中，失败其实无关紧要。只要我们真心热爱这项事业，其中的困难就不值一提；只要我们能够始终保持乐于尝试的激情，就不怕不能成功。”

任重道远需策马

科研不仅仅是一件严肃的事，也是一件快乐的事、有趣的事、处处充满惊喜的事。

面向高温应用的传统金属间化合物往往在高温下表现出优异的性能，但当其使用环境温度下降到中等区间（如800℃左右）时，反而会变脆易断。“这几乎是所有传统金属间化合物研究中都会遇到的问题，我们对此十分好奇，一直都想探求它的成因，寻找解决的办法。”杨涛回忆，课题组在这项研究上花费了大量时间，但一直未能取得进展。直到那天，在对材料进行热处理的过程中发生了一个小小的意外。原以为这次的努力也要白费，但他们却惊喜地在“不合格材料”中发现了一个非常特定的组织——异质结构的柱状晶粒组织（以下简称“异构柱状晶组织”）。通过对这种异构柱状晶组织进行微观调控，他们能够提高材料的断裂韧性，还可以为材料在服役过程中的组织稳定性、热氧化性等全面评估提供依据。

以这项发现为基础，杨涛成功申请香港研资局“杰出青年学者计划”。到2020年，他巧妙利用“晶界纳米无序化”和“多组元有序超点阵”的合金设计策略，成功克服了传统金属间化合物的“室温晶间脆断”和“高温晶粒长大”的两大科学难题，相关原创性科研成果分别于2020年和2021年在《科学》杂志上发表。

过去的几年里，杨涛及其团队在结构金属间化合物的冶金设计方面取得了许多令人瞩目的成就，但他们探索尝试的热情丝毫未减。正所谓“一代材料、一代技术、一代产业”，加快高性能金属结构材料及其先进制造技术的研发，对于推动我国高新技术自主创新、促进产业结构转型升级、摆脱国外垄断封锁具有重要意义。纵观我国高温合金行业发展历程，从仿制到自主创新，如今我国已初步建立完整的高温合金研制体系。但与世界领先水平相比，我国高温合金在产品杂质元素控制、均匀性、稳定性、成本控制等方面仍存在一定差距。相关产业发展总体仍处于爬坡上坎的阶段，市场对外依赖度较大，自给率严重不足，未来仍旧任重道远。

在最近立项的国家自然科学基金优秀青年基金项目中，杨涛也明确指出：目前广泛使用的钛（Ti）基和镍（Ni）基等高温合金的性能提升已经逐步接近极限，合金铸造、轧制、锻造等传统加工技术的制造成本高、难度大、周期长，新材料及其先进制造技术的创新设计与有机融合势在必行。因为随着材料零部件的设计越来越复杂，传统由人工操控机器单独生产零件的方式已经不能满足庞大的市场需求。如果能够通过激光增材来实现这种新材料的快速一体化制造，在缩短产品生产周期的同时，保证其性能的稳定，将有助于加速实现新型高性能高温合金及其零部件的自主研发、国产化。

围绕这些问题，杨涛计划带领团队以金属的三维打印和激光的选区融化增材制造为出发点，从基础研究角度发力，增进“内地-香港-国际”的产学研合作，以创新推动当地的“再工业化”，最终辐射全国。他说：“将成果写在祖国大地上，不仅是当下的‘潮流’，也是每一位科研工作者的期盼和目标。”

愿化红烛照尘寰

产学研合作本质上是一种取长补短、合作共赢的策略。这，也正是杨涛团队的发展理念。因为在杨涛看来：做人、做事和做金属合金材料研究，在本质上是一样的。

金属材料大致可分为两大类：一类具有无序的原子结构（非晶金属），一类具有有序的原子结构。作为一种独特的合金，其中，有序合金中的元素往往有规律地占据特定的亚晶格位置，元素位置偏好可以强烈影响电子键合，因此带来许多独特的机械和功能特性。正如杨涛所说：“每一种材料总归有它的长处和短处，这就需要把它的原子放在合适的位置，把它的组织结构调控成合适的分布方式，让它在特定的环境下表现特定的优异的性能。从材料内部来看，最终的核心就是要探究如何把正确的原子放在正确的位置上。我们需要不断调整策略，以更好地去探索这个规律、总结这个规律，然后才能真正在实验设计中去实现自己的构想。寻找合适的位置、合适的时机，取长补短发挥个体的长处，这不就是个人成长和团队发展的关键所在吗？”

如果要说起杨涛的教学理念，就不得不提及其博士生导师刘锦川教授。带领自己的团队时，杨涛总会向这位前辈看齐。

团队合影

在杨涛的回忆中，刘锦川教授是位“周伯通式”的人物。杨涛加入课题组的时候，刘老师已经70多岁了，但他工作起来比很多年轻人都要拼。看到某个有趣的实验现象还会像个孩子一样激动和高兴，会迫不及待地在第一时间推动实验进度，帮忙协同设备、联系需要的人或机构等。“我们学生的很多想法之所以能够成功实现，离不开老师的帮助。”杨涛与导师的观念十分相似——要以自身的言行调动大家的科研激情，鼓励大家积极探索新事物。“永远满怀激情、永不轻言放弃、永远关怀学生，在科研和教学上，他真正做到了言传身教，是我们年轻人的一个好榜样。”如今，在年轻一代学子眼中的杨涛，亦是如此。

自从开始组建自己的团队，杨涛比以往任何时候都要忙。他的手机保持24小时开机，为学生时刻准备着。他的心里除了实验数据，还牵挂学生的学习和生活是否适应、有没有什么困难是自己能帮助解决的。因为他希望自己不仅仅要成为一个会讲课的老师，还要成为一个善育人的老师：“要想在专业领域走得更远，自我驱动着去探寻新事物是最关键的。所以我想让他们能够对金属有直观的了解，同时培养他们对金属材料的兴趣，激发他们的好奇心与求知欲。”

“人的精力是有限的，要将精力100%、200%甚至300%地投到自己最感兴趣的那件事上。在研究过程中，我们会遇到各种各样的问题，但要静下来，去体验材料世界的美好。我们一直在做的，其实就是发现材料之美，扩大材料之美。”在神奇奥妙的材料世界里，杨涛期待着能与越来越多的志同道合者相遇。