微觀世界展新葩——記北京科技大學(xué)教育部長江學(xué)者講座教授陳龍慶

本刊記者 許素平

微觀世界展新葩
——記北京科技大學(xué)教育部長江學(xué)者講座教授陳龍慶

本刊記者 許素平

當(dāng)代高新技術(shù)的飛躍發(fā)展，引起材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的不斷變革，使得各種適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的新材料、以及新的材料計算方法應(yīng)運而生。相場方法及多尺度計算模型正是適應(yīng)了這種需要，成為材料研究領(lǐng)域綻開的一朵新葩。而已在材料科學(xué)領(lǐng)域奮戰(zhàn)了20余年的陳龍慶教授憑著敏銳的眼光及團隊的奮勇拼搏已在國際相關(guān)領(lǐng)域占有了一席之地。

陳龍慶，1962年12月出生，1982年畢業(yè)于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程系，獲學(xué)士學(xué)位。1983年赴美，1985年于紐約州立大學(xué)石溪分校獲碩士學(xué)位，1990年于麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系獲博士學(xué)位，1990至1992年在美國Rutgers大學(xué)做博士后研究。1992年到賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系任教，先后任助理教授、副教授、教授（2002）。并在該系擔(dān)任過副系主任（2000-2002），主管研究生工作。

陳龍慶教授的主要研究方向是發(fā)展先進工程材料中預(yù)測微結(jié)構(gòu)演化的相場方法和多尺度計算模型。他對各種相變動力學(xué)問題及材料處理過程（包括晶粒生長、共格沉淀、鐵電疇的形成、晶粒粗化、薄膜中疇結(jié)構(gòu)的演化、有結(jié)構(gòu)缺陷存在時的相變、強彈性不均勻體系中微觀組織的演化、磁疇結(jié)構(gòu)及鐵磁性馬氏體相變等）創(chuàng)立了一系列新奇的相場模型及多尺度計算模型。

吹響進軍國際前沿的號角

預(yù)言并控制材料中的微觀結(jié)構(gòu)演化常被認為是材料科學(xué)與工程學(xué)科的“圣杯”。陳龍慶教授在賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究組被國際上廣泛地贊譽為相場方法的領(lǐng)先者，該方法現(xiàn)在已成為預(yù)言材料在加工、合成及使用過程中的微觀結(jié)構(gòu)演化的強有力的計算工具。陳龍慶研究組建立了許多材料加工處理的相場模型并使之應(yīng)用到實際中。

單相及復(fù)相材料體系中的晶粒生長

陳龍慶的研究組建立了第一個基于相場方法的晶粒生長模型。利用這一模型，陳龍慶及合作者研究了晶粒生長的動力學(xué)及晶粒生長的拓撲學(xué)等。基于計算機模擬，他們展示了晶粒生長中的相關(guān)性是關(guān)鍵因素并由此揭示了解析晶粒生長模型的一個長期存在的缺陷。許多其他的研究組現(xiàn)在正利用這一模型研究各種體系中的晶粒生長動力學(xué)。陳龍慶研究組還將他們的模型推廣到了多相體系，例如，將晶粒長大及奧斯瓦爾德熟化用統(tǒng)一模型進行研究。利用多相晶粒生長模型，他們在國際上第一次能夠?qū)哂懈呤旎喟俜直鹊膬上囿w系中的奧斯瓦爾德熟化過程進行系統(tǒng)的研究。這成為了美國國家自然科學(xué)基金會資助的世界材料網(wǎng)項目以及計算材料設(shè)計中心的兩個項目的基礎(chǔ)。

塊體單晶及薄膜中的鐵電轉(zhuǎn)變及疇結(jié)構(gòu)

陳龍慶研究組還是單晶材料及有基底限制的薄膜中鐵電疇的相場方法模擬的開創(chuàng)者。它們可被用來定量地預(yù)測鐵電相變溫度及電疇結(jié)構(gòu)隨基底的晶格常數(shù)及薄膜取向的依賴關(guān)系。與實驗科學(xué)家合作，這些模型已被用于對分子束外延以及脈沖激光沉積提供指導(dǎo)，并獲得了令人驚訝的性質(zhì)。他們與賓夕法尼亞州立大學(xué)Schlom研究組及其他合作者的合作產(chǎn)生了一項新發(fā)現(xiàn)：基底約束可導(dǎo)致SrTiO3薄膜的室溫鐵電性，這種材料在不存在基底約束應(yīng)力的情況下在室溫是非鐵電的。模擬發(fā)現(xiàn)，基底約束戲劇性地改變了體系的相圖，甚至導(dǎo)致新相的生成。

搞清矯頑場（使凈極化強度為零的外電場大小）的影響因素，是鐵電學(xué)中的一個長期問題。陳龍慶研究組近期關(guān)于鐵電疇轉(zhuǎn)換特性的系列工作，已使在實驗中觀察到的矯頑場往往比以前理論所預(yù)言的要小很多這一現(xiàn)象的根本原因見到曙光。該研究組的理論預(yù)言還對他在加利福尼亞大學(xué) Berkeley分校的實驗合作者提供了指導(dǎo)，幫助他們理解了疇的穩(wěn)定因素，并大大地改善了應(yīng)用于存儲元件的BiFeO3材料中疇的穩(wěn)定性。

他們還將在鐵電薄膜方面的工作拓展到了多鐵體系，這涉及非常令人感興趣的兩種或兩種以上鐵性相轉(zhuǎn)變之間的耦合，這些材料在制作新的記憶元件方面具有潛在的應(yīng)用前景。

微觀結(jié)構(gòu)演化的多尺度模型

陳龍慶和他的合作者提出了多個多尺度計算模型，將第一性原理、CALPHAD數(shù)據(jù)庫以及微觀結(jié)構(gòu)演化的相場模擬結(jié)合起來，構(gòu)建應(yīng)用于合金設(shè)計的科學(xué)與工程計算工具。例如，他們展示了三種最新水平的技術(shù)應(yīng)如何結(jié)合來建立原子尺度與微觀組織結(jié)構(gòu)之間的橋梁：（1）第一原理計算，（2）混合空間團簇近似，（3）擴散界面相場模型。最近，他們提出了一個方法，它使人們可以直接從第一原理計算來預(yù)言共格析出相的形貌。這涉及第一原理計算、混合空間團簇及Monte-Carlo模擬。不需要任何事先假設(shè)，他們預(yù)言了Al-Cu合金中由應(yīng)變導(dǎo)制的長程相互作用所控制的一般析出形貌。Ni-Al二元合金γ析出相的粗化動力學(xué)則由三維相場模型及CALPHAD近似來研究。這種綜合性模型能夠定量的預(yù)言形貌演化，平均析出物尺寸，以及尺寸分布隨時間及成分的變化。這些多尺度概念是一個美國航天局和一個自然科學(xué)基金重大予研究項目的主要思想。

缺陷的微結(jié)構(gòu)與相相互作用的相場模型

陳龍慶研究組提出了一個整合相與缺陷微結(jié)構(gòu)的相場模型。這個模型第一次使包含任意分布的結(jié)構(gòu)缺陷（如位錯）成為可能。與Khachaturyan研究組在建立位錯動力學(xué)相場模型方面的突破一道，它們提供了令人激動的可同時演化相和缺陷微觀結(jié)構(gòu)的可能性，由此可探討化學(xué)效應(yīng)對塑性的影響。這一模型還被用來模擬具有周期性分布的界面位錯陣列的薄膜中的Spinodal分解過程，結(jié)果顯示出，與界面位錯陣列相聯(lián)系的周期性應(yīng)力場導(dǎo)致了方向性的相分離及有序的納米級微觀結(jié)構(gòu)的形成。這一結(jié)果具有重要的實際應(yīng)用價值，有序的納米結(jié)構(gòu)可通過控制界面位錯分布而形成。

應(yīng)變對固態(tài)相變的影響

1990年代，與R u g t e r s大學(xué)的Khachaturyan教授和王云志一道，陳龍慶在不同體系中使用擴散界面模型研究應(yīng)變主導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)演化方面做出了先驅(qū)性的工作。他提出了一個可用于預(yù)言相變后具有格子形及孿晶結(jié)構(gòu)形成，并導(dǎo)致晶格點群對稱性降低情況下的動力學(xué)模型。這一模型為以后許多有關(guān)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，其中包括馬氏體相變的相場模型的建立奠定了基礎(chǔ)。他關(guān)于彈性應(yīng)變效應(yīng)的工作是第一個預(yù)言應(yīng)變在有序金屬間化合物脫溶方面所起作用的工作。他們進行了第一個系統(tǒng)地有關(guān)彈性應(yīng)變效應(yīng)對同構(gòu)雙相體系影響的計算機模擬。他們發(fā)現(xiàn)了很多種有趣的應(yīng)變導(dǎo)致的動力學(xué)現(xiàn)象，其中包括選擇性及各向異性生長，逆粗化過程，微粒平移運動，微粒形狀轉(zhuǎn)變及分裂。最近，陳龍慶教授和他在賓夕法尼亞州立大學(xué)數(shù)學(xué)專業(yè)的合作者解決了一個有關(guān)固體中形核的長期的材料科學(xué)問題，即不需任何預(yù)先假定，就可預(yù)測固態(tài)相變中臨界晶核的形狀。

此外，陳龍慶研究組還是最早提倡將基本應(yīng)變效應(yīng)用于實際應(yīng)用的重要合金體系中的人之一。特別是，他們針對一些共格結(jié)構(gòu)相變建立了一系列相場模型，其中包括立方-四方相脫溶反應(yīng),立方-菱方相變, 外應(yīng)力條件下的相變以及六角-斜方晶系相變。這些模型其后被用來預(yù)測不同的實際應(yīng)用的合金體系中的脫溶相形貌的演化。

彈性非均勻體系的微觀結(jié)構(gòu)演化

陳龍慶的小組在彈性非均勻體系的介觀尺度模擬方面獲得了突破性的進展。他們建立了一個用于模擬強彈性各向異性及強非均勻體系的高效計算模型。這是一項重要的進展，因為它第一次使人們將任意的彈性非均勻性包括到微觀結(jié)構(gòu)演化的相場模型之中。陳龍慶小組將此模型應(yīng)用于薄膜不穩(wěn)定性及微觀結(jié)構(gòu)演化方面以及鐵電/非鐵電超晶格中。這一模型在研究其它的材料加工過程中還將有很多潛在的應(yīng)用。例如，他們已將這一模型推廣到多晶情況，這將使人們可以預(yù)測在任意微觀結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力；應(yīng)力作用下晶粒生長的演化過程以及復(fù)雜的多相微觀結(jié)構(gòu)的有效彈性模量。

擴散型相變的動力學(xué)

陳龍慶教授做出了重要貢獻的另一相變領(lǐng)域是擴散控制的有序金屬間化合物從無序基體中的脫溶機制和動力學(xué)，這涉及同步的有序化和團聚化過程。陳教授及其合作者成功地預(yù)言了一種有序金屬間化合物的脫溶機理。他們還發(fā)現(xiàn)了相分離時贗有序相的可能的中間態(tài)的外觀，這一預(yù)測后來在多種合金體系中被驗證，它還解釋了在三元及四元半導(dǎo)體III-VI化合物及SiGe的分子束外延薄層中的有序相可能是贗有序相。后來，他們又證明，這種贗有序相能夠在無序基底中脫溶時產(chǎn)生。他們還展示出長程與短程相互作用之間的競爭導(dǎo)致一種介觀相，即在二元均勻無序固溶體分解為一種平衡的有序-無序兩相混合物時，有序的晶體顆粒呈周期性地析出于無序合金的基體中。最后，陳龍慶課題組還在三元合金微觀結(jié)構(gòu)的計算機模擬方面的作出了前沿的工作，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象。

構(gòu)造相場模型的先進數(shù)值算法

陳教授課題組對發(fā)展解相場方程的高效數(shù)值算法做出了重要貢獻。特別是，通過與數(shù)學(xué)家的合作，他們構(gòu)造了一個高效而且準(zhǔn)確的解相場方程的半隱傅立葉譜方法，包括那些具有可變系數(shù)的情況。最近，一個自適應(yīng)的可移動網(wǎng)格傅立葉譜方法已經(jīng)被提出。這些算法與傳統(tǒng)的歐拉有限差分方法相比，無論在效率還是在精度方面都提高了幾個數(shù)量級。

享受“授人以漁”的快樂

陳龍慶教授課題組的研究成就已經(jīng)得到美國多項重大研究項目資助。他與國際一些優(yōu)秀的實驗科學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、計算機科學(xué)家及計算材料科學(xué)家同事進行了廣泛的合作，建立的許多計算模型和數(shù)值算法被其他的研究組采用或進一步開發(fā)。他發(fā)表了250多篇第一作者或合作論文，其中包含 Nature, Science, Advanced Materials,Physical Review Letters等重要雜志。他的論文被高頻次引用，引用率達5500多次。

他承擔(dān)著多項美國自然科學(xué)基金及其它重要基金的重大項目及面上項目。并先后于1995年獲得美國海軍研究局的青年研究人才獎，1999年獲美國國家自然科學(xué)基金的特殊創(chuàng)新研究獎，2000年獲賓州州立大學(xué)地球與礦物科學(xué)學(xué)院威爾遜獎，2001年獲賓夕法尼亞州立大學(xué)地礦學(xué)院的杰伊克研究獎，2003年獲得賓州州立大學(xué)工程學(xué)者獎?wù)?2005年獲得Guggenheim基金會授予的Guggenheim學(xué)者，2006年獲得美國ASM材料研究銀獎，2008年當(dāng)選美國物理學(xué)會會士（APS Fellow）。

2004年，陳龍慶教授獲得了中國國家自然科學(xué)基金杰出青年基金項目下的海外合作基金。現(xiàn)擔(dān)任北京科技大學(xué)“教育部長江學(xué)者講座教授”。

科學(xué)研究盡管辛苦，但是陳龍慶樂在其中，他經(jīng)常說自己充分享受著難題被破解后的快樂。陳龍慶想得更多的是“如何帶領(lǐng)團隊在相場模型世界走得更遠、更深”。