科学|为什么是这四位科学家，拿下了2020年未来科学大奖？( 二 )
可以用石榴的结构来辅助理解金属块体的结构 。 如果把整颗石榴看做是块金属 ， 其中的每颗种子看做是金属原子 ， 那么由白色组织隔开的各个部分就可以看做是不同的晶粒 ， 白色的组织就是晶界 。
△石榴的果实 ， 作者：Fir0002 ， 来源：维基百科“石榴”条目
晶粒的尺寸有大有小 ， 大起来大的惊人 ， 小起来也小的离谱 。 最大的晶粒可以和宏观材料本身一样大 ， 一块材料内部没有晶界 ， 整个就是一个晶粒 ， 这就是所谓的单晶 。
形成单晶需要相对苛刻的条件 ， 因此除非特别制备 ， 自然界中的单晶很少能长大到大型人工单晶的程度 。 普通金属材料的晶粒尺寸大概在数十到数千个微米范围内 。 而当晶粒尺寸继续缩小 ， 缩小到数十纳米到数百纳米的范围内 ， 就形成了我们经常听到的纳米金属 。
说完了金属结构的基本知识 ， 我们再来谈谈为什么传统金属材料的硬度和塑性及电导率存在矛盾 。
提高传统金属材料的强度有很多种方法 ， 但这些方法大部分情况下都会让材料的微观组织细化 ， 也就是晶粒增多 ， 晶界数目增加 。
为什么晶粒和晶界的数目增加了 ， 材料的强度就能提高呢？我们可以大概地将这一问题做如下的粗浅理解 。
低温下 ， 晶界处的强度高于晶粒内部 ， 晶界的存在好比是材料的内部出现了一系列均匀分布的增强筋 。 当金属材料受到外力发生变形时 ， 这些增强筋会对变形产生强烈的抵抗 ， 反应到宏观上 ， 就是材料的强度得以增加 。 同时 ， 在一定范围内 ， 晶界还可以给金属材料提供额外的塑性变形能力 ， 即塑性也得以增加 。
△大块的镓单晶（图中各多面体） ， 作者：foobar ， 来源：维基百科“晶体”条目
晶粒细化在一定范围内可以同时提高材料的强度和塑性 ， 因此在工业上具有十分广泛的应用 。 但当细化程度逐渐增加 ， 比如一直细化到纳米级晶粒 ， 即到达所谓纳米金属的领域 ， 提高强度就会带来塑性的降低 。 这时晶界密度过高 ， 稍有外界变形就会产生很大的抵抗 ， 强度提高的同时塑性也被牺牲 。
此外 ， 电流在金属导体中进行传导时 ， 遇到晶界就像是高速公路行驶过程中通过收费站 ， 传导速度自然会有降低 。 因此 ， 晶粒越密集 ， 晶界越多 ， 对电流的阻滞效果也就越明显 ， 纳米金属的导电能力发生降低并不奇怪 。
长久以来 ， 人们始终认为 ， 纳米金属的强度和塑性以及导电性之间存在天然的矛盾 ， 无法实现两全其美的状态 。 然而 ， 卢柯在对纳米金属长期的研究和观察中 ， 却发现如果对纳米金属的结构再进行一些修饰和调整 ， 完全有可能让纳米金属集各种性能于一身 ， 成为突破常理的神奇材料 。
卢柯和他的研究团队先后发现了两种新型纳米结构 ， 在金属材料强化原理上完成了重大突破 。 这两种结构是高密度纳米孪晶和梯度纳米结构 ， 它们在具备超高强度的同时 ， 分别还具有极强的导电性能和塑性变形能力 。 例如 ， 高密度纳米孪晶铜不仅具有远高于一般金属铜的强度 ， 还具有和普通无氧铜相媲美的极高导电能力 。 而具有梯度纳米结构的纯铜样品 ， 强度较普通粗晶铜高一倍 ， 同时拉伸塑性不变 ， 突破了传统强化机制的强度-塑性倒置关系 ， 已被应用在工业界并取得了显著的经济效益 。
卢柯院士的上述研究成果均在沈阳材料国家实验室和中科院金属研究所完成 ， 是进入新世纪以来我国科学家在物质和材料领域取得的重大原创性成果 。
△卢柯与彭实戈 ， 来源：未来科学大奖官网
“数学与计算机科学奖” ， 颁给了彭实戈 ， 表彰他在倒向随机微分方程理论 ， 非线性Feynman-Kac公式和非线性数学期望理论中的开创性贡献 。
彭实戈教授是中国金融数学的奠基人 ， 他创立的“倒向随机微分方程”在期权期货等金融衍生证券定价中有重要作用 。 2010年8月在印度海得拉巴召开的国际数学家大会上 ， 他受邀作了一小时大会报告 ， 是中国大陆本土数学界获此荣誉的第一人 。
大会现场与彭实戈教授进行的连线对话中 ， 他表示得知获奖消息很高兴 ， 他希望用这笔奖金来推动自己所研究领域的发展 ， 因为他相信自己所从事的研究是面向未来的科学 。
科学成果值得被看见 ， 科学家值得被看见 。 本年度获奖的几位科学家 ， 均在中国大陆做出了世界级的优秀成果 。 相信随着中国经济和科技实力的发展 ， 更多的中国科学家能够斩获殊荣 ， 也希望未来科学大奖能够成为更加重量级的世界科技奖项 。
【科学|为什么是这四位科学家，拿下了2020年未来科学大奖？】
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