说明：尽管在顶级综合性期刊Nature和Science（NS）中，研究体系成熟、创新步伐相对缓慢的传统金属结构材料（如铜、铁基合金）长期占比极低（不足1%），常被视为“创新乏力”的“低调配角”，但近年一批突破性研究正颠覆这一认知。
这些研究运用“纳米化”、“极限态”和“异质界面调控”等前沿策略，通过对微观缺陷的原子级操纵、多尺度结构的创新设计及材料极限的大胆探索，取得了颠覆传统理论（如反常热稳定纳米晶粒）、突破性能瓶颈（如强度与韧性协同提升）和开辟新应用范式（如肖特基势垒极限调控）的卓越成果。
这些登上NS的案例有力证明，即使是最“古老”的材料体系，在科学与匠心的深度结合下，依然蕴藏着足以照亮顶刊的科学奇点。
引言
在顶级科学期刊的殿堂中，传统金属材料曾长期被视为“低调的配角”。Nature和Science（NS）作为科学界公认的顶尖综合性期刊，每年发文量仅约2000篇，而其中涉及传统金属结构材料（如铜、铁基合金等）的研究占比竟不足1%。
这种悬殊比例背后，反映了顶刊对颠覆性、跨学科影响力的苛刻追求——传统金属因其成熟的研究体系和相对缓慢的突破节奏，往往被贴上“创新乏力”的标签。
然而，正是这种固有认知，让近年来一批登上NS的传统金属研究显得尤为珍贵：它们用精妙的实验设计、深刻的机理解析和意想不到的性能飞跃，撕下了“传统即平庸”的误解，证明即便在古老的材料体系中，仍蕴藏着等待被唤醒的科学奇点。
事实上，传统金属正以“纳米化”、“极限态”和“异质界面调控”等前沿策略，打开通往NS的通道。例如，卢柯团队通过在液氮温度下对纯铜进行塑性变形，创造出具有反常热稳定性的纳米晶粒（），其稳定性甚至超越粗晶材料，颠覆了“晶粒越细越不稳定”的传统认知，登上Science封面；
美国布朗大学与中科院金属所合作，利用梯度纳米孪晶结构设计，使纯铜同时获得强度与韧性的同步提升，突破材料性能的“倒置关系”，同样发表于Science；而加州大学团队则通过范德瓦尔斯金属–半导体结技术，在MoS₂上实现接近理论极限的肖特基势垒调控，为金属集成电子器件提供新范式，荣登Nature。
这些研究无一例外地证明：传统金属的“新生”，源于对微观缺陷的原子级操纵、对多尺度结构的创新设计，以及对材料极限的大胆探索——当科学与匠心相遇，即便最“古老”的材料，也能焕发足以照亮顶刊的锋芒。本文将通过几个案例给大家介绍这些有趣的研究。
案例一：金钯铂纳米颗粒五重孪晶的形成机制
该研究利用原位高分辨透射电子显微镜（HRTEM）技术，在原子尺度上实时观察并揭示了金（Au）、钯（Pd）、铂（Pt）等金属纳米颗粒（约3纳米）形成五重孪晶（5-FT）的动态过程。
研究发现，五重孪晶的形成主要通过纳米颗粒之间的定向附着（Oriented Attachment, OA）机制实现，并具体发现了两种截然不同的形成路径（Mechanism 1 和 Mechanism 2）。
这两种路径都源于OA后形成的特定角度凹面（~94° 和 ~150°），并分别通过高能晶界的形成与分解（涉及Σ9, Σ27晶界）和部分位错滑移来释放累积的应变能，最终达成五重对称结构。
理论计算，特别是分子动力学（MD）模拟，在该研究中扮演了至关重要的角色。它不仅成功复现并验证了实验中观察到的关键现象（如Σ27晶界的振荡演化），更重要的是，它定量计算了不同晶界（如Σ3, Σ9, Σ27）的能量，精确揭示了高能晶界（如Σ9, Σ27）不稳定的本质。
MD模拟还深入阐释了“零应变孪晶”（ZST）的成核和生长机制，展示了ZST如何通过特定序列的部分位错滑移（总和为零）来分解高能Σ27晶界，实现应变能的释放，最终形成稳定的Σ3孪晶界面。
计算还分析了晶格应变（如{111}面夹角β的变化）和剪切应变的分布，为理解两种机制中应变累积与释放的差异提供了原子层面的理论基础。
DOI: 10.1126/science.aax6511
这项研究能登上《Science》的核心原因在于它解决了长期存在的科学难题并提供了普适性的新机制。五重孪晶虽被发现近200年，但其原子尺度的形成机制一直存在争议且缺乏直接观测证据。
本研究首次直接捕获并解析了五重孪晶动态形成的全过程，填补了这一关键空白。更重要的是，它不仅观察到了现象，还通过精密的实验设计（小尺寸NPs选择、原位观测）结合强大的理论计算（MD模拟），原创性地提出了两种普适的形成机制。
这两种机制统一在“应变累积–释放”的核心框架下，深刻揭示了不同凹面几何、表面扩散行为如何导向不同的应变能状态，进而触发截然不同的微观过程（高能晶界演化 vs. 部分位错滑移）来形成相同的五重孪晶结构。
研究结果具有极强的普适性和指导意义：在孪晶能差异巨大的Au（低）、Pd（中）、Pt（高）三种金属体系都验证了这两种机制的有效性（尽管细节如孪晶单元大小有异），并将定向附着这一广泛存在于众多材料体系（氧化物、半导体、生物矿物等）的生长机制与孪晶形成联系起来，为未来在更广阔材料体系中设计和控制孪晶结构（不仅是五重孪晶）提供了清晰的理论蓝图和实验依据。
这种在原子尺度上解决经典难题、揭示普适规律、并对材料设计具有直接指导意义的突破性工作，正是顶级期刊《Science》所追求的科学价值。
案例二：梯度位错结构钢抗循环蠕变研究
该研究在奥氏体304不锈钢中成功设计并制备了一种具有梯度位错胞（GDS）的微观结构。这种结构通过室温循环扭转变形实现，从材料表面到芯部，位错胞的密度逐渐降低（尺寸增大），表面层形成尺寸约290纳米、位错密度极高的等轴位错胞。
研究核心在于系统评估了这种GDS钢在非对称应力循环载荷（具有非零平均应力）下的抗循环蠕变（ratcheting）性能。
实验结果表明，GDS钢的循环蠕变速率比其粗晶（CG） counterparts 低2-4个数量级，寿命大幅延长（例如在510 MPa最大应力下，寿命从5.6小时提升至556小时），累积蠕变应变显著降低。
理论计算在揭示其卓越性能的微观机制中扮演了关键角色： 分子动力学（MD）模拟 成功复现了在循环变形过程中，堆垛层错（SFs）与六方密排（HCP）马氏体纳米层在面心立方（FCC）基体中的形成过程（图4D），并定量揭示了这些HCP纳米层作为强阻碍如何有效拦截位错和层错的滑移（图4E）。
模拟清晰展示了层错跨越HCP-FCC相干界面的巨大阻力，需要极高的剪切应力才能启动在HCP内新滑移面上的滑移。
研究者进一步建立了循环塑性本构模型，通过分析背应力（Back stress，源于几何必需位错）和有效应力（Effective stress，源于统计储存位错）的演化（图S9），定量阐明GDS结构如何诱导持续的非线性运动硬化和各向同性硬化。
模型计算与实验数据高度吻合，证明这种梯度结构及其在循环中不断细化的微观结构（形成FCC-HCP纳米层状结构）有效增强了应变硬化能力，抑制了动态回复，从而大幅降低了每个循环的净塑性应变（即循环蠕变应变）。
DOI: 10.1126/science.adt6666
这项研究能登上《Science》的核心原因在于它革命性地解决了工程材料领域长期存在的重大难题——高强度与优异抗循环蠕变性能难以兼得的矛盾，并揭示了全新的微观机制。
循环蠕变是导致关键工程构件（如涡轮叶片、压力容器）在非对称循环载荷下提前失效的主要模式。传统策略（如预变形、纳米化、双相钢）往往在提高强度的同时牺牲了长期的抗循环蠕变性能，因其易发生循环软化或应变局域化。
该研究提出的梯度位错结构设计提供了一种颠覆性的解决方案，实现了高强度（屈服强度提升130%）与超常抗循环蠕变性能（速率低2-4个数量级）的完美结合。
其科学突破性在于：发现了全新的循环变形微观机制：原位电镜观察结合理论分析揭示，在非对称循环应力下，GDS结构触发了持续的、由堆垛层错介导的FCC到HCP马氏体的相干相变，形成了嵌入FCC基体中的致密HCP纳米层。
这种相变路径（涉及不同方向Burgers矢量的Shockley不全位错）及其形成的相干FCC-HCP纳米层状结构 是传统材料或单调载荷下未曾报道的关键特征。
阐明了“持续微结构细化”的抗蠕变核心机制：初始的位错胞在循环载荷下并未粗化或软化，而是通过不断累积SFs和形成FCC-HCP纳米层状结构，实现了持续的微结构细化。
这种细化过程显著增强了应变硬化能力，抑制了动态回复，并有效抑制了应变局域化和损伤萌生（通过X射线断层扫描证实），从而在极长的循环寿命内维持了极低的循环蠕变速率。
提出了普适性的材料设计新范式：该研究不仅在一类关键工程钢上取得突破，其基于梯度位错结构和可控变形诱导相变（形成相干纳米层）的设计理念，为解决广泛的结构材料在循环载荷下的失效问题提供了全新的思路和理论依据。这种兼具重大工程意义和原创性科学发现的研究，正是《Science》所青睐的。
案例三：Schwarz晶体结构抑制原子扩散
该研究在过饱和Al-15 wt% Mg合金中成功制备并表征了一种具有Schwarz晶体结构的纳米晶材料（样品SC-8，平均晶粒尺寸~8 nm）。
这种结构通过低温（77 K）高压扭转变形获得，其特征是晶粒呈现类似截角八面体的多面体形状，包含高比例的{111}和{100}晶面，并伴有大量共格孪晶界。
研究核心在于系统比较了SC-8与另一种传统纳米晶样品（NG-50，平均晶粒尺寸~50 nm）在高温下的扩散控制过程稳定性。实验发现，NG-50样品在423 K以上即发生明显的Al₃Mg₂金属间化合物沿晶界析出，且晶粒迅速粗化。
然而，令人惊讶的是，具有更高晶界密度的SC-8样品在高达723 K（接近Al-Mg合金的固相线温度）的长时间退火后，不仅完全抑制了Al₃Mg₂析出，而且晶粒尺寸几乎保持不变（仅从8 nm轻微增至12 nm），Mg原子在α-Al基体中仍保持均匀过饱和固溶状态。
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.136101
理论计算在其中扮演了关键角色：研究者基于晶粒粗化动力学模型，通过测量退火后晶粒尺寸的变化，定量计算出SC-8在723 K下的表观跨界扩散系数（~1.5 × 10⁻²⁰ m²/s），这比NG-50样品（~7.7 × 10⁻¹³ m²/s）低了惊人的约7个数量级。
研究结合了分子动力学模拟的结论（引用自前期Schwarz晶体Cu的工作）来解释其机制：Schwarz晶体结构具有平均曲率为零的极小界面，并被孪晶界稳定约束。
这种结构强烈限制了界面原子的振动幅度，使其难以脱离平衡位置进行长程扩散（跳跃概率极低）。同时，极细小的晶粒显著降低了晶格内平衡空位浓度，进一步抑制了以空位机制主导的替代扩散（Al和Mg原子）。
DOI: 10.1126/science.adt666
这项研究能登上《Science》的核心原因在于它颠覆了传统认知，首次在实验上证明了一种高密度界面的纳米结构能够极度有效地抑制原子扩散，甚至超越了单晶和传统合金化策略的效果，为解决金属材料高温不稳定性这一根本性难题提供了革命性的思路。
其突破性体现在：解决了材料领域的核心挑战：高原子扩散性导致金属结构和性能在高温下不稳定，这是制约其高温应用的瓶颈。传统策略（如制备单晶或高合金化）效果有限且成本高昂。本研究发现的Schwarz晶体结构提供了一种全新的普适性解决方案。
发现了反直觉的物理现象：传统理论认为晶界是快速扩散通道，晶界密度越高，扩散应越快。然而，SC-8样品虽然拥有比NG-50高得多的晶界密度，其扩散系数却低了7个数量级。
这种强烈的反差挑战了关于界面扩散的固有认知。揭示了全新的抑制扩散机制：研究不仅观测到了现象，更重要的是通过理论分析（结合分子动力学模拟的见解）阐明了其物理本质——Schwarz晶体独特的极小界面几何和孪晶约束导致了界面原子运动的强约束，以及极细晶粒内极低的平衡空位浓度共同作用，从根源上扼杀了扩散所需的原子跃迁。
展现出非凡的工程应用潜力：该结构将过饱和Al-Mg合金的稳定性提升至接近熔点（抑制析出和晶粒长大至723K，熔点提升69K），远优于任何传统Al合金。
这为设计新一代在极端高温环境下（如航空航天、能源领域）具有稳定性能的轻质高强金属材料开辟了全新的途径。这种在基础科学认知上取得重大突破，并具有广阔应用前景的原创性工作，正是《Science》期刊所追求的。
案例四：大尺寸高指数晶面单晶铜箔制备
该研究开发了一种“预氧化–退火”的晶种生长技术，成功制备出尺寸达39×21 cm²（接近A4纸大小）、包含30多种高指数晶面（如(112)、(235)、(245)等）的单晶铜箔。
其核心步骤是：首先对商业多晶铜箔进行150-650°C的温和预氧化，形成表面Cu₂O层；随后在1020°C的H₂/Ar还原气氛中退火数小时。通过控制预氧化条件，研究者打破了传统退火仅能获得低指数晶面(111)的局限。
理论计算在揭示机制和指导设计中至关重要：密度泛函理论（DFT）计算定量获得了不同晶面的表面能（Extended Data Table 1），证实高指数晶面（如(112): 9.40 eV/nm²）显著高于低指数晶面（如(111): 8.10 eV/nm²），从热力学上解释了传统方法无法自发形成高指数晶面的原因。
晶界迁移能量模型分析表明，预氧化形成的Cu₂O层覆盖铜表面后，界面能不再由铜晶面本身主导，使得高指数晶面的大晶粒有机会成为“异常晶粒种子”。在后续退火中，该种子通过消耗周围小晶粒（ΔE = 2Sₕ(γₐ-γ₈) – αLγₐ₈ ）实现异常晶粒生长，最终消除晶界形成单晶。
分子动力学模拟（LAMMPS）复现了“晶面转移”过程：当高指数单晶种子置于多晶箔上退火时，种子晶格通过外延同化作用（>98%成功率）将自身晶向传递给多晶基体，实现了特定高指数晶面的可控复制。
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2298-5
这项研究能登上《Nature》的核心在于它革命性地解决了材料领域长期存在的两大难题——大尺寸单晶金属箔的规模化制备与高指数晶面的可控合成，并开辟了全新的材料设计范式。
其突破性体现在：颠覆传统认知：传统理论认为高指数晶面因高表面能而热力学不稳定，只能通过切割单晶锭或外延沉积小规模获得。本研究通过预氧化打破表面能主导机制，利用随机形成的大尺寸高指数晶粒作为种子，实现了热力学“不利”晶面的宏量制备。
开创性技术突破：开发了普适的“晶种生长”技术，首次制备出30余种高指数晶面、接近工业级尺寸（A4纸大小）的单晶铜箔，且晶面质量优异（KAM °）。通过“晶面转移”策略进一步实现了特定晶面的精准复制和垂直堆叠单晶块材的制备。
机制阐释深刻：结合DFT计算、晶界能量模型和分子动力学模拟，从原子尺度阐明了预氧化消除表面能约束以及异常晶粒生长动力学的核心机制，为类似材料的制备提供了理论蓝图。
应用前景广阔：高指数晶面单晶箔展示了独特性能——成功用于石墨烯/hBN的取向外延生长，突破了传统仅限(111)晶面的限制；并拓展至镍箔制备，证明技术普适性。
这种兼具基础科学颠覆性（挑战表面能主导范式）、技术突破性（尺寸/晶面数量创纪录）和广泛应用潜力（二维材料外延、催化、电子器件）的研究，正是《Nature》期刊的典型遴选标准。