单智伟

研究领域或方向

1）探索并优化材料、尤其是微纳尺度材料的结构与性能；2）应用和发展与之相配套的先进制备、测试与表征技术；3）以原位、动态、定量为主要特征的先进技术和设备为主要研究手段，结合日新月异的计算机模拟技术，选择典型材料为主要研究对象，通过和本领域以及相关领域专家与学者的有效合作，力求系统的建立起微纳尺度材料结构与性能间的定量关系，并为这些材料的最终应用提供坚实的实验基础和方法论的指导。近年来的研究方向主要集中于应用和发展定量的原位电镜变形技术（压痕/压缩/弯曲/拉伸/疲劳+电/热/气氛等）对目前材料研究中的一些焦点问题进行探索。

工作简历

1992-1996  吉林大学，材料科学与工程系，学士学位；

1996-1999  中国科学院金属研究所，材料物理与化学专业，硕士学位；

2001-2005  美国匹兹堡大学，机械工程系，博士学位；

2005-2006  美国劳伦兹国家实验室，国家电镜中心博士后；

2006-2009  美国Hysitron 公司，先后任资深研究员、部门经理及应用研究中心主任；

2007年受聘为西安交通大学“腾飞人才计划”特聘客座教授；

2008年获评教育部长江学者奖励计划特聘教授；

2009年获得国家自然科学基金杰出青年基金资助；

2009年与马恩教授, 李巨教授和孙军教授共同组织筹建西安交通大学“微纳尺度材料行为研究中心（CAMP-Nano）”，任执行主任；

2009年入选陕西省“百人计划”；

2010年入选国家“千人计划”，受聘为国家特聘专家；

2010年任职金属材料强度国家重点实验室副主任；

2010年与美国Hysitron公司合作筹建“Hysitron中国应用研究中心”，任中心主任；

2011年任职西安交通大学材料科学与工程学院副院长。

科研项目

西安交大长江学者特聘教授配套项目基金 (200万元), 项目负责人，2010-2012

 国家自然科学基金杰出青年基金 （200万元），项目负责人，2010-2012

 国家自然科学基金重点项目：微米金属单晶的变形行为及晶体学与尺度效应 （180万元）， 主要参加人

 美国能源部：定量的原位透射电镜拉伸装置（一、二期) （85万美金），项目负责人， 2007-2010

 美国能源部：定量的原位透射电镜摩擦装置（一、二期）（85万美金），项目负责人，　2007-2010

学术及科研成果

在包括《自然》、《科学》、《自然—材料》、《自然—通讯》、《物理评论快报》、《纳米快报》、《材料会刊》等国际顶级期刊上发表论文30余篇，SCI引用超过1070余篇次，单篇SCI引用最高280篇次。其中2010-2011年在《自然》和《自然—通讯》上共发表4篇文章，组织和共同组织了7次国际学术研讨会，担任6次国际会议分会主席；做或署名大会邀请报告40多个，大会普通报告36个，主持科研项目4项（包括美国两项），作为研究骨干参加科研项目4项（包括美国两项），主持经费合计近6000万元人民币。以下为一些代表性工作的简介：

发现金属变形孪晶的强烈晶体尺寸效应 （《自然》， 第二作者，2010）

单智伟教授和同事们通过巧妙的实验设计，选取六方晶体结构的钛-5%铝合金单晶中以孪晶变形为主导塑性变形方式的晶体取向，运用纳米力学测试仪有针对性地研究了孪晶变形在微小尺度材料中的行为规律和机理。结果发现，当外观几何尺度减小到微米量级时，与相应宏观块体材料相同，材料的塑性变形仍以孪晶切变为主，但其能够承受的最大流变应力表现出很强的尺度依赖性（最高达到宏观值的8倍左右）。分析表明，其实验测定的Hall-Petch关系的幂指数接近于1 (远高于多晶的0.5)。更为令人惊奇的是，当晶体的外部几何尺度进一步减小到1微米以下时(远大于多晶纳米材料强度极值对应的20纳米)，孪晶变形被位错滑移变形完全取代。同时，Hall-Petch幂律关系不再适用：材料所能承受的最大流变应力转而呈现出一种接近于所用材料理论强度水平的“应力饱和”现象。由此，文中提出了以螺位错为媒介的孪晶变形“受激滑移”模型，得到Hall-Petch幂律指数的理论值为1，与实验值吻合良好。并且由于仅有小部分（1%左右）的位错可以作为极轴，而晶体尺寸愈小，就愈难于利用螺型位错的极轴作用将两个相邻的滑移面有效地耦合在一起而形成孪晶，从而完美地解释了孪晶变形具有强烈的晶体尺寸效应和“尺寸愈小、强度愈高”的内在原因。

由于试验发现的临界转变尺度是在工程上很容易实现的微米向亚微米过渡的范围，因此， 此项研究结果不仅对于系统认识微小尺度材料的力学行为有着十分重要的作用， 而且对于微电子元器件与微机电系统(MEMS)所用材料的性能表征评价与设计、特别是利用其强度的强烈晶体尺度效应进行微纳加工等具有重要的指导意义。本项工作发表在2010年1月出版的《自然》杂志上。

本项工作的重要意义还在于：它是单智伟教授以西安交大为第一作者单位发表的第一篇文章，也是西安交通大学的第一篇以第一作者单位发表在《自然》杂志上的文章。  

发现高能电子可导致玻璃态二氧化硅小球的室温超塑性 （《自然通讯》， 通讯作者，2010）

在单智伟教授与其它同事合作指导下， 单智伟教授的博士生汪承材利用金属材料强度国家重点实验室微纳尺度材料行为研究中心和Hysitron中国应用研究中心的实验平台， 研究了高能电子对亚微米尺度玻璃态SiO2球体力学行为的影响。 试验中令人惊讶地发现即使是低强度的电子辐照也可以急剧的地提高玻璃态SiO2球体在室温附近的塑性变形能力；而且， 无电子辐照时玻璃态SiO2球的流变应力远大于有电子辐照时的流变应力， 差别达4倍之多。这是人们首次定量的研究高能电子对材料力学性能的影响。与此同时，北京工业大学张泽院士、韩晓东教授课题组的原位透射电镜拉伸试验表明， 高能电子辐照下玻璃态SiO2纳米线可呈现超塑性，均匀延伸率可超过200%。为了揭示电子束促进塑性变形的微观机制， 美国约翰霍普金斯大学马恩教授课题组采用分子动力学方法对SiO2纳米线的变形过程进行模拟。分析表明， 高能电子可使玻璃态SiO2产生很多结构缺陷和价键缺陷， 如悬空键等。 这些缺陷将会促进不同Si-O键之间的原子互换，从而使得塑性的载体， 即原子团簇的转动和迁移成为可能；同时，纳米材料超小的体积使得玻璃态SiO2的流变应力大到足以满足原子键互换和团簇迁移所需的应力； 相应的理论计算进一步确认了在上述试验过程中电子束引起的温度升高很小。这些研究成果的重要意义在于它将会对该类材料在微纳尺度上的加工和集成产生重要的指导意义， 从而为脆性材料，如氧化物玻璃的应用开辟出崭新的途径。同时也拓宽了电子束这一常规材料表征工具在材料加工方面的应用。该项工作发表于6月1日在线出版的《自然—通讯》杂志上 （Nature Communications, 10.1038/ncomms1021)。 单智伟教授的博士生为并列第一作者，单智伟教授为并列通讯作者。

本项工作的重要意义还在于：它是单智伟教授2010 年发表在《自然》系列杂志上的第二篇文章， 是西安交通大学的第二篇《自然》系列文章， 同时也是单智伟教授以通讯作者身份在西安交通大学发表的第一篇文章。

在亚微米尺度的单晶镍中发现了机械退火和反常硬化现象，从而令人信服地验证了此前备受争议的位错匮乏机制 （《自然材料》，第一作者， 2008）

采用聚焦离子束加工亚微米金属试样，并结合定量原位透射电镜下变形方法，发现 a) 用聚焦离子束制备的亚微米单晶镍圆柱体中包含有高密度位错。 在外界应力的作用下，这些亚微米晶体中的位错密度会剧烈下降， 甚至形成一个无位错的完美晶体。b) 不同于传统的应变硬化，亚微米晶体中的应变硬化来自于位错或位错源的匮乏。这些发现的重要意义在于她不仅揭示了微纳米尺度面心立方金属奇特力学行为的内在原因， 而且用令人信服的实验明证了由斯坦福大学Williams Nix 研究团队所提出的，但此前饱受争议的微尺度金属变形的位错匮乏假说。以上结果以第一作者身份发表在2008年二月的《自然•材料》杂志上(Shan Zhiwei, et al. Nature Materials, 7: 115-119,2008)。同期发表的约翰霍普金斯大学Hemker教授和斯坦福大学Nix（WD. Nix美国三院院士,材料力学行为国际权威学者）教授的评论文章给予该工作高度评价：“该工作为解释微尺度单晶强度尺度效应的“位错匮乏理论”提供了直接的实验证据，并且这种直接观察的方法为理解纳米尺度的材料复杂行为提供了亟需的清晰图象。”（Hemker KJ, Nix WD. Nature Materials.7:97-98,2008）[见附件]。到目前为止，本工作已被包括发表在《自然》、《科学》等顶级刊物上的文章引用超过93次。

发现纳米晶的空心硫化镉球体不仅能够支撑理论强度的应力，而且具有相当大的变形能力 （《自然材料》，第一作者， 2008）

纳米晶材料具有极高的强度和硬度，但是其塑性却近似于脆性材料。为了提高纳米晶材料的塑性，研究人员进行了不懈的努力并提出了诸多的解决方案。这些方案可归为两大类：应变硬化和应变速率硬化。但是， 这些努力不可避免的要以牺牲强度为代价。 受到空间结构材料的启发， 单智伟教授提出把纳米材料合成为一定的空间结构将可能得到同时具有高强度和大变形能力的材料。 基于这种想法， 单智伟教授选取球壳由纳米晶组成的硫化镉空心球为研究对象，通过原位透射电镜下力学性能测试并结合有限元分析对纳米晶硫化镉构成的中空的纳米球的力学性能进行了系统的研究，结果表明该种结构具有极高的强度和良好的变形能力。 同时， 基于本研究所开发出来的试验技术使的定量、直接、高效地测量纳米粒子的力学性能成为可能。上述工作以全文（Article）的形式发表在2008年12月的《自然材料》 杂志上。 单智伟教授为第一作者（Shan Zhiwei, et al. Nature Materials, 2008. doi:10.1038/nmat2295.

证明可以通过合适试验设计扑捉到纳米晶中的位错动态行为（《物理评论快报》，第一作者，2007）

通过采取一种拉伸诱发变形，保持载荷并于不同时间在同一区域内拍摄高分辨透射电子显微像的方法，成功地观察到了纳米晶中位错的动态变形行为。本工作不仅验证了关于应力可以使位错在纳米晶中稳定存在的猜测，并且推翻了此前分子动力学模拟关于纳米晶中位错动态行为无法通过真实的试验来观察的论断。（Shan Zhiwei et al. Physical Review letters.98 (9):095502,2007）

实验证明了目前关于材料初始塑性的一些公认假说可能是不精确的、甚至是错误的（自然材料，第三作者， 2006）

利用定量的原位透射电镜变形技术，发现 a) 噪音级别的力即可让位错在完美晶体中成核；b) 包含高密度位错的铝晶粒可支撑理论强度的剪切应力 (~2.2 GPa)。这些发现的重要意义在于它用令人信服的实验证明了目前公认的一些假说，即：i)在纳米压痕试验中， 第一次显著的位移／力突变对应于材料的初始塑性变形； ii) 只有完美晶体才能支撑理论剪切的应力这两种假说是不精确的， 甚至是错误的。以上结果以第三作者身份发表在2006年的《Nature Materials》杂志上。（A.M. Minor, S. A. Syed, Z. W. Shan, et al. Nature Materials. 5: 697-702,2006)。

LBL（Lawrence Berkeley National Laboratory）作为头条研究新闻进行了报道[见附件]。同时，美国科学杂志网络版科技新闻以 How Nanocrystals Crumple: “New Window into Deformation of Nanoscale Materials” 为题对该工作进行了报道并给予高度评价[见附件]。

确证了晶界主导的塑性可成为纳米金属晶体一种显著的变形机制 （《科学》，第一作者， 2004）

晶体材料的塑性行为通常主要由晶格位错的成核和运动来控制。通过创造性利用原位透射电镜拉伸技术和暗场成像相结合的方法，单智伟教授对平均晶粒尺寸为10纳米的纳米晶镍的变形机制进行了研究。结果证明晶界主导的塑性在该晶体变形过程中已成为一种显著的变形方式。而且，在变形后的单个晶粒中发现了晶格位错的存在。分析表明这种变形方式的变化源于下述两种机制之间的竞争：位错的成核和运动以及扩散辅助的晶界变形过程。本工作从实验上为理论和计算机模拟所预测的随着晶粒尺寸减小，纳米晶金属存在一个峰值强度这一现象提供了有力的证据；并为理论研究和分子动力学模拟提供了坚实的实验证据。（Grain boundary  mediated plasticity in nanocrystalline nickel, Z. W. Shan et al.， Science 305, 654 (2004)）。

该工作得到美国Science杂志两位评审人的高度评价。一位评审人写道：“就揭示晶粒转动而言，该工作是目前最好的”，“这是一流的研究工作，值得Science发表”[见附件]。另一个评论道：“这项工作是新颖的，出人意料的，对纳米结构金属领域而言是很重要的发现” [见附件]。

Science编辑部在发表该文的同时，还在同一期的“Perspectives”栏目上刊登了国际知名学者、美国约翰霍普金斯大学终身教授马恩博士对该工作的专门评价文章（Science News, “Watching the Nanograins Roll”, by E. Ma, Vol. 305, 30 July 2004, P. 623-624)。马恩博士指出，“分子动力学模拟预测当晶粒尺寸减小到10个纳米左右时， 晶粒转动机制将会启动并可能主导变形过程。尽管许多年来人们都在寻找这样的证据，令人信服的直接的实验证据却一直没有找到。” “运用原位暗场透射电镜技术，作者们记录了在变形过程中邻近的晶粒通过频繁的转动形成大的晶粒团聚物的过程”。论文主要结果在同期的“Perspectives”和“This Week in SCIENCE”两个栏目被进一步介绍。同时Materials today 和 LBL（Lawrence Berkeley National Laboratory）均作为头条研究新闻进行了报道[见附件]。目前该论文已经被SCI引用超280篇次。

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