北京
近日，上海大学核电关键材料全国重点实验室卞西磊副研究员团队在纳米多层材料设计领域取得突破性进展。研究团队提出并验证了一种全新的材料设计范式—“氧动态配分”机制，即利用间隙氧原子作为原位化学调节剂，通过变形驱动局部化学重构，使多层材料从传统的预设静态结构演化为具有自优化能力的化学自适应体系。
相关成果以“Designing chemically adaptive nanolaminates via oxygen dynamic partitioning”为题，发表于国际材料科学领域顶级期刊《Materials Today》（影响因子24.1）。核电关键材料全国重点实验室博士生俞潇龙、硕士生孙国栋（2024届毕业生）为论文共同第一作者，上海大学卞西磊副研究员、贾延东研究员以及西安交通大学吴戈教授、香港大学陆洋教授为论文共同通讯作者。上海大学为第一完成单位和通讯单位。该工作由上海大学牵头，与西安交通大学、奥地利科学院Erich Schmid材料研究所、香港城市大学及香港大学等单位合作完成。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103450
晶态-非晶纳米多层材料因其独特的界面结构和层间协同变形机制，在先进结构材料领域具有广阔的应用前景。然而，传统晶态-非晶纳米层状材料被视为静态复合材料，其性能由层厚、相分数和界面结构预先决定。研究团队突破传统理念，提出并验证了一种“氧动态配分介导的化学自适应”设计新范式。以FeCrNi-O/TiVNbHf-O纳米层状材料为模型体系（图1），利用间隙氧原子作为原位化学调节剂，在变形过程中驱动氧原子从非晶层及界面动态地重新分配至晶态层，使晶态层氧含量增加约1.55 at.%。这种变形驱动的化学演化持续强化晶态层，同时缩小其与非晶层之间的力学性能差异，从而促进两相在整个结构中协同变形。
图1. 晶态-非晶纳米多层材料微观结构
得益于这一独特的“自适应化学-力学耦合”机制，该纳米多层材料体系展现出卓越的力学性能。其中，晶体层厚度为50 nm、非晶层厚度为50 nm的C50/A50纳米层状材料，屈服强度高达4.37 GPa（约E/30，逼近理论极限E/10），均匀压缩应变超过50%，且不形成剪切带（图2）。其综合力学性能超越目前已报道的同类型材料，成功克服了传统材料中强度与塑性难以兼得的矛盾。“化学自适应”概念确立了化学重构作为一种强有力的策略，用于设计能够主动适应机械载荷的结构材料。该策略在CoCrNi-O/TiZrNbHf-O等合金体系中同样得到验证，展现出良好的普适性。
图2. 晶态-非晶纳米多层材料的力学性能
该研究揭示的“氧动态配分”机制，即变形驱动氧原子从非晶层向晶态层定向迁移、原位形成（Cr，O）纳米团簇并持续强化晶体相，为理解聚变堆用ODS钢的抗辐照性能提供了颠覆性的动态视角。传统理论将ODS钢的优异性能归因于静态弥散的氧化物颗粒对缺陷的被动捕获，而本工作表明，辐照产生的级联碰撞和大量点缺陷流动极可能充当氧动态配分的驱动力，促使氧在氧化物/基体界面附近发生类似的重分布，形成富含氧和Cr的动态防护壳层，不仅高效捕获和分散He原子等辐照缺陷，还能实时修复辐照损伤并强化基体。这一发现将ODS钢从“静态被动捕获缺陷”的传统认知提升至“辐照驱动-氧介导-自修复”的动态体系，或许能够从根本上阐明其界面作为超级缺陷陷阱的结构起源，对未来聚变堆用ODS钢领域的理论基础和材料创新具有奠基性指导意义。
本工作是该团队继Nature Communications16, 10602 (2025)；Applied Catalysis B: Environment and Energy 391, 126672 (2026) 之后，在利用氧工程设计结构-功能一体化材料方面的又一突破。研究工作得到了国家自然科学基金（52171159, 52271114, 52361165617）、上海市自然科学基金（22ZR1422500）、上海市科技创新行动计划（24CL2901500, 25CL2902300）、上海市探索者计划（25TS1401900）以及奥地利科学基金（FWF）等项目的资助。
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。
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