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向新的高度攀登——记“长江学者”、材料科学与工程学院院长田永君教授
2009-07-16 姜恩、艾冬梅  资讯中心供稿   (点击: )

 

    田永君,19633月生,1994年于中科院物理所获得理学博士学位,19961998作为洪堡学者留学德国Jena大学(耶拿大学)固体物理研究所,教授,博士生导师。田永君教授1996年入选国家人事部百千万人才工程第一、二层次人选,国务院政府特贴专家,2001年被教育部聘为长江学者奖励计划特聘教授,当时为河北省首位长江学者2002年获得国家杰出青年科学基金。现任澳门十大赌场名字-澳门十大赌场最新排名山大学材料科学与工程学院院长,中国仪表材料学会常务理事、中国机械工程学会材料分会常务理事,Physical Review LettersPhysical Review BApplied Physics LettersJournal of Physics: Condensed Matter、《中国物理快报》(英)等刊物的特约审稿人,吉林大学超硬材料国家重点实验室和澳门十大赌场名字-澳门十大赌场最新排名山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室学术委员会委员,主要研究方向:1、新型亚稳材料  2、高温超导材料 3、大型铸锻件材料。所取得的标志性成果:
    1
、提出了极性共价固体硬度的微观理论
    2
、发现同种原子形成的化学键存在离子性的新现象
    3
、关于【Phys.Rev.Lett.96(2006),085501】一文的探究和硬度微观理论的拓展

1983年,当时正在哈尔滨科技大学就读的田永君光荣地加入了中国共产党。也就是从那时起,为振兴中华,贡献自己全部聪明才志就成了他矢志不渝的奋斗目标。
    1987
年硕士研究生毕业留校后,他很快在科研中崭露头角。1987年至1991年期间,作为课题组年轻的学术骨干,他与同事们在国内率先开发了机械振动切削法制造金属短纤维技术多种金属短纤维复合材料,并用于工业生产,取得了可观的经济效益。
    1991年至1994年,在中科院物理研究所攻读博士学位的田永君,开始从事对基础研究和高新技术的发展都有着重大意义的高温超导材料的研究工作。在物理研究所李林院士的引导下,他与杨国桢院士合作,在国内率先开展了脉冲激光沉积制备高温超导薄膜的研究,在理论和实验两方面都取得了一系列创新性成果,所制备的高温超导薄膜的性能指标达到了当时国际最好水平。
    1996
年田永君教授获得德国洪堡奖学金。1996年至1998年在德国从事研究工作期间,他又与德国教授合作,在高温超导量子干涉器件的研究工作中做出了突出贡献。在研究工作结束时他被国外一些大学高薪聘请,德国导师也善意地挽留他。但田永君作为洪堡学者在德国耶那大学固体物理研究所工作25个月后,却怀着一颗拳拳赤子之心回到了祖国的怀抱。
    19989月回到母校的田永君,马上开始在材料科学与工程学院筹建亚稳材料制备技术与科学省级重点实验室,该实验室于1999年通过验收并运行。与此同时,回国后他还入选了中科院首批高级访问学者,在物理研究所国家超导实验室工作了一年,在高温超导薄膜与器件研究领域又取得了突出成绩。
    199911月,田永君当选为澳门十大赌场名字-澳门十大赌场最新排名山大学材料科学与工程学院院长。在报效祖国的征程上,他又开始向新的高度攀登了。在他的领导下,学院有了长足的进步。学院由原来的2个本科专业扩展为4个本科专业;先后申报成功材料科学与工程一级学科博士点和博士后流动站;在校领导和省有关部门的鼎立支撑之下,2006年亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室挂牌仪式顺利完成。经过多年的努力,澳门十大赌场名字-澳门十大赌场最新排名大材料学院终于迈进了国家重点实验室的行列,实现了几代澳门十大赌场名字-澳门十大赌场最新排名大材料人为之奋斗的目标。这标志着材料学院进入了一个新的发展时期。2007年材料学院的材料学二级学科被评为国家重点学科。
    通过人才引进政策,他陆续吸引了一批学术带头人回国工作,逐步形成了一支以长江学者奖励计划特聘教授国家杰出青年科学基金获得者为学术带头人和主要研究骨干,活跃在亚稳材料科学研究领域。经过几年的合作研究,团队成员逐步达成共识,确定亚稳材料科学为总的主攻研究方向,围绕这个主攻研究方向,再根据个人的特长和兴趣明确了各自的具体分支研究方向。以此为基础,结合重点实验室建设,建立和完善了高温高压、溶剂热合成、高能机械球磨、激冷、微重力、物理气相沉积和化学气相沉积等远离平衡条件下的材料制备、结构和性能研究的检测设备这个大的公共科研平台。他们在新型亚稳材料探索、晶体结构表征、结构相变和物理性能研究等方面已经做出了有特色的研究工作,成为在国内外有一定影响力的青年研究群体,该群体由一批精通材料科学和凝聚态物理的青年学者逐步融合而成,2006年他领导的亚稳材料科学团队入选教育部创新团队。
    田永君领导的课题组在科研工作中也不断取得新成果。2000年底,他的“YBCO高温超导薄膜生长与器件研究科研成果获中国高校科学技术奖(自然科学类)一等奖。2003年田永君领导课题组提出了极性共价固体硬度的微观理论,该成果在从电子水平上定义和理解了共价固体的硬度,第一次使人们能够基于晶体的原子排布情况来预测其硬度,为进一步设计出新的超硬材料奠定了理论基础。2005年又发现了同种原子化学键存在离子性的新现象,该成果打破了同种原子形成的化学键不存在离子性的传统观念,提出的普适的离子性标度是对经典化学键理论的发展和补充,对描述碳纳米管、C60和同种原子构成的团簇中化学键的离子性提供了实用的工具。近两年来,在国家973项目和国家自然科学重点基金项目的资助下,他组织课题组开展了轻元素化合物高压相的成分、晶体结构、电子行为、结构稳定性和功能性质的关系方面的研究。采用第一性原理设计出了四类新晶体:超硬的b-B 4C 3r-BC6N晶体,导电的超硬t-BC3晶体以及六方BC5;给出了C3N4高密度异形体的理论硬度,探讨了已合成超硬BC2N化合物的精细晶体结构和力学性质;进一步拓展了极性共价固体硬度的微观理论的应用;采用高温高压、机械合金化、溶剂热合成等方法截获了多种轻元素亚稳相化合物,获得了这些相的一系列结构和性能的实验数据。田永君课题组共发表科研论文150余篇,其中被SCI收录100余篇,论文被他人引用300余次;授权和申请发明专利8项;田永君教授还与李东春教授共同引导出两篇全国百篇优秀博士论文,分别为2004年高发明博士撰写的《复杂晶体化学键介电理论及其在材料科学中的应用》和2007年何巨龙博士撰写的《B-C-N新材料的实验合成与相关材料的第一性原理研究》。
   
回首往昔,田永君教授几十年的学术攀登历程清晰在目,如今,他依然默默固执地在科研道路上孜孜不倦地探索着,继续向新的高度攀登,永无止境。

 相关资料背景:

(一) 田永 君教授标志性科研成果的基本情况:

 

1、提出了极性共价固体硬度的微观理论

 

材料的宏观性质与微观电子结构的关系研究是现代材料科学的重要主题。材料的组成原子和物理学的基本定律决定了材料的性能,从原理上讲完全依靠理论来设计新材料是完全可能的,但目前还做不到。第一性原理计算在预测与材料的电子行为和热力学性质相关的性能方面发挥着重要作用。目前,在第一性原理计算所提供的信息和材料宏观性能之间仍然存在一个盲区。因此,如何在两者之间架起一座桥梁是极具挑战性的工作。硬度是材料的一个宏观力学性能,它反映了材料抵抗刻划或压入的能力。长期以来,人们只能采用材料的体弹性模量和剪切弹性模量来间接地寻找超硬材料。如何在原子、电子尺度上理解硬度并建立描述硬度的微观电子理论这一老难题,经过科学家们近一个世纪的努力尚未解决。

大家通过假设硬度是单位面积上每个化学键对压头的阻抗之和,进而提出了描述极性共价固体硬度的微观理论,并推广到多元复杂极性共价固体。用该方法预测了新近合成的三元超硬材料b-BC2N的硬度。理论预测与已知材料硬度的实验值非常吻合。

创新点及其科学意义:提出了硬度的微观定义和描述极性共价固体硬度的微观理论,解决了这个世纪性难题。该成果在从电子水平上定义和理解了共价固体的硬度,第一次使人们能够基于晶体的原子排布情况来预测其硬度,为进一步设计出新的超硬材料奠定了理论基础。该成果发表在Phys.Rev.Lett. [Vol.91(2003), 015502]杂志上。第一个审稿人认为“这是一篇非常好的文章。与实验(结果)的一致性给人印象深刻,这不是强加给人的,而是从复杂的物理处理过程中表露出来的。”第二个审稿人认为“建立晶体的可测量的宏观性能与微观电子结构的联系是现代材料科学的一个重要主题。基于30多年前J.C.Phillips提出的离子性这一老概念,本文报道了预测共价晶体硬度的一个经验方法。对于大量所选晶体而言,给出的结果与实测的硬度值非常一致……第一次阅读本文时,结果给我留下了深刻印象。”文章发表后在国际上引起了强烈的反响,美国纽约的自由科学撰稿人在Physical Review Focus上以“一层一层地揭开硬度的面纱”为题作了专题先容和评述,评述开头写到“基于材料的原子结构预测材料的硬度常常象试图用粉笔刻划金刚石一样难。所谓离子性这一原子键特性似乎与硬度有关,基于这一性质,在 74PRL上一个研究小组终于得到了硬度的一个明确的公式。该公式成功地预测了几种材料的硬度,包括一个最近合成的超硬材料。该结果帮助建立了一个硬度的微观模型,并且有助于寻找新的超硬化合物。文中报道了法国Montpelllier技大学Julien Haines教授对该工作的评价“对于预测材料硬度来讲看来这是一个强大的有用技术”, 文中还报道了美国麻省理工学院Gerbrand Ceder教授对该工作的评价“用相当优美的方式将几种见解统一起来……每当能够在宏观性能与可计算性质之间建立起联系时,就是前进了一步”。美国先进陶瓷通报发表了“度量超硬材料的硬度(试验与测量)”的专题评述,在评述开头写到:“基于材料的原子结构预测材料的硬度,公认地难”。另外德国Stp-gateway.de在高技术栏目以“公式预测共价晶体的硬度”为题也都作了专题评述,奥地利Science.orf.at在科学资讯栏目以“大胆的计算——用电子跃迁描述硬度”为题作了专题评述、伊朗在物理资讯栏目用阿拉伯文作了评述,台湾Sciscape.org在物理栏目以“我知道谁比较硬”为题作了专题评述,美国材料研究会MRS在材料研究资讯栏目中以“模型精确预测大量材料的硬度”为题先容了本工作,并对Physical Review Focus的评述做了转载。转载的还有日本的科技网站。

 

2、发现同种原子化学键存在离子性的新现象

 

离子性是物理、化学和材料科学中通用的一个重要的基本概念,它是电荷在空间分布对称程度的度量。20世纪30年代,美国科学家鲍林(L.Pauling1954年诺贝尔化学奖得主)基于两种原子的电负性差提出了第一个离子性标度,20世纪60年代美国科学家菲利普斯(J.C.Phillips)基于化学键的介电理论又提出了一个新的并被广泛采用的离子性标度。根据这些经典的化学键理论,离子性只存在于由不同原子构成的化学键当中,在这些具有离子性的化学键上伴随着电荷转移发生。在该理论框架内,同种原子形成的化学键并不表现出离子性。

在计算含有B12二十面体的富硼固体硬度时大家发现:当大家像经典化学键理论那样将B12二十面体中B-B键的离子性取为0时,富硼固体的硬度比实验值高2044%。为此大家猜测B12二十面体中的B-B键有可能具有离子性。第一性原理计算表明:B12二十面体的几何对称破缺造成了二十面体中B-B键的电荷分布的不对称,从而导致了B-B键的离子性。为了表征这种离子性,基于化学键的布居数定义了一个新的离子性标度,并发现了该标度与经典的菲利普斯标度的关系。采用这种离子性计算富硼固体的硬度发现计算值与实验值非常吻合。

创新点及其科学意义:在含有B12二十面体的富硼固体中发现B-B键表现出不同程度离子性这一新现象。基于化学键的布居数定义了一个新的离子性标度,该标度与菲利普斯标度一致,而且是一个普适的标度。该成果打破了“同种原子形成的化学键不存在离子性”的传统观念,提出的普适的离子性标度是对经典化学键理论的发展和补充,对描述碳纳米管、C60和同种原子构成的团簇中化学键的离子性提供了实用的工具。该成果发表在Phys.Rev.Lett. [Vol.94 (2005), 015504]杂志上。第一个审稿人认为“实际上,通过引入一个新的标度能够将离子性进行普适化的结果是重要的,在概念上和实用上都是如此”。 第二个审稿人认为“B12二十面体中无极性的B-B共价键存在0.37这样如此大的离子性确实是一个意义深远的结果,值得发表。

对于通常意义上的共价键而言,这是一个意想不到的性质,通过一个简单而又清晰的代数运算就能得到,  要理解它并不需要深奥的理论背景。基于这些特征,将会有很多物理学家、化学家和材料学家对此感兴趣”。

 

3. 关于【Phys.Rev.Lett.96(2006),085501】一文的探究和硬度微观理论的拓展


    ?im?nek等人在【Phys.Rev.Lett.96(2006),085501】发表的 “Hardness of Covalent and Ionic Crystals: First-Principle Calculations”的文章中,提出了一种共价和离子晶体硬度的计算方法,大家发现文中存在一些概念、公式和应用范围方面的缺陷和错误,并给出了改进建议:(1)化学键强度定义,即   ,其中nij被定义为原子i的最近邻原子j的数量。然而,在实际晶体中,成键的原子i和j的配位数常常是不相等的,即nij≠nji,此种情况下,对于同一个化学键将存在两个不同的键强值,这是一个明显缺陷。大家建议用平均值 或来取代nij,这样键强值才具有唯一性;(2)当选择不同的计算途径和原胞大小时,文中的公式 会给出不同的结果,这是第二处严重缺陷。大家建议将硬度公式改为: ,这个改进的表达式最近被Hu等人所采用[Appl.Phys.Lett.91(2007), 121918];(3)编辑错误地使用该方法来计算过渡族金属碳化物和氮化物的硬度。原因有两个:一是理论和实验早有定论,d电子参入成键的s-p-d杂化键的键强明显高于s-p杂化键的键强。二是过渡族金属碳化物和氮化物化学键中的金属性组分能明显降低材料的硬度。这两点,文中公式均未考虑。因此,用所提出的公式计算过渡族金属碳化物和氮化物的硬度是不恰当的。(4)关于文中的重要结论--即低配位数导致高硬度。大家认为这是错误的。一般情况下,晶体的原胞体积与配位数密切相关。配位数越大,晶胞体积越小。如,Cs-Si3N4的平均配位数明显大于b-Si3N4的配位数,但它们的理论硬度是相等的。因此,?imunek等人的结论是武断的,与事实不符。本探究结果得到了两位审稿人的一致认可,被发表在Phys.Rev.Lett. 98(2007),109601上。
      在上述探究的基础上,拓展了大家的极性共价固体硬度的微观理论,考虑了d电子成键和金属性fm的影响,使之能够处理过渡族金属轻元素化合物理论硬度的计算问题,得到的硬度表达式如下:
  
                                                  
    这部分工作已投到Phys.Rev.B

 

(二)教育部“亚稳材料科学创新团队”的相关情况

 

1、创新团队基本构成情况

 

教育部“亚稳材料科学创新团队”由一批精通材料科学和凝聚态物理的青年学者逐步融合而成。学术带头人 田永 君教授主要从事功能材料的设计、制备和物理性能研究,作为“洪堡学者”在德国耶拿大学固体物理研究所工作25个月,19989月回到澳门十大赌场名字-澳门十大赌场最新排名山大学材料科学与工程学院,马上开始筹建亚稳材料制备技术与科学省级重点实验室,该实验室于1999年通过验收并运行。为了加强亚稳材料科学研究领域的力量,从国外相继引进了两位高水平的研究骨干 刘日平 教授 和张湘义 教授,他们的加盟不仅提高了实验室的整体科学研究水平,而且他们的团结与合作精神在研究群体的逐步形成过程中发挥了表率作用。

刘日平 教授作为“洪堡学者”在德国宇航院空间模拟所工作了18个月后在英国剑桥大学材料科学与冶金系工作了6个月,200010月回国,长期从事微重力条件下和高压条件下合金的凝固、亚稳相截留方面的研究;

张湘义 教授作为“洪堡学者”在德国斯图加特大学工作22个月,20019月回国,20027月再次赴德工作半年。长期从事超常条件下块体纳米材料制备、纳米晶永磁复合材料研究;

研究骨干 于栋利 教授和 何巨龙 教授从1989年起就在 田永 君领导的课题组工作,后来成为 田永 君教授的在职博士研究生和长江学者奖励计划特聘教授的助手。

于栋利 教授在攻读博士学位期间曾赴日本广岛大学工学部进行合作研究,博士毕业后又在加拿大西安大略大学从事高压下亚稳材料的合成和性能表征研究,专长于高压技术和薄膜技术;

何巨龙 教授在攻读博士学位期间也曾赴日本广岛大学工学部进行合作研究,特长是利用第一性原理进行新型亚稳材料设计和电子结构研究;

 

团队成员 张福成 教授留学于英国牛津大学,特长是亚稳结构材料处理工艺与宏观性能研究;

李强 教授留学于美国密西根大学,特长是设备研制和材料工艺的应用开发研究;

柳忠元 教授在美国内布拉斯加大学物理与天文系取得博士学位后,在德国马普微结构物理研究所工作一年,并在美国西弗吉尼亚大学纳米研究中心工作一年,长期从事纳米磁性薄膜材料的研究,2005年回国;

漆汉宏副教授的专长是材料物理性能的测量技术,为 田永 君教授的在职博士研究生,2004年毕业;

胡文涛 何巨龙 教授的硕士研究生,2004年获得硕士学位后留校工作,主要特长是高温高压等合成技术和X射线衍射等表征技术。

 

创新团队经过近五年的合作研究形成了由10人组成的、活跃在亚稳材料研究领域的一个崭新的研究群体,其中留学回国人员8人,长江学者2人,国家杰出青年科学基金获得者3人,教育部新世纪优秀人才1人,德国洪堡学者3人,博士生导师8人,教授8人,副教授1人。群体成员团结、奋进,整体具有很强的综合实力和学科交叉优势。

 

2、创新团队的发展及理念

 

为了提高亚稳材料制备技术与科学省级重点实验室这个公共科研平台的设备配套性和先进性,从2000年至2002年,澳门十大赌场名字-澳门十大赌场最新排名山大学投入专项设备经费1500万元,2002年河北省政府投入专项设备经费960万元。在国家科技部和河北省政府的大力支撑下,以该团队为主要力量的亚稳材料制备技术与科学重点实验室参加了2003年度国家重点实验室评估,获得了良好的成绩,2005年本实验室正式成为国家重点实验室并对外开放运行。

鉴于亚稳材料在将来国防及国民经济领域的应用前景,以及极端物理条件在材料科学发展中的重要作用,团队的发展思路是:利用高压、溶剂热合成、空间环境等极端物理条件,系统地开展非平衡条件下亚稳材料的制备、结构表征及物性等方面前沿性的实验与理论基础研究,发展新型亚稳材料。发展目标是:在亚稳材料设计、制备与形成机理、结构与物理性能表征等方面作出有标志性的基础性研究成果,获得具有自主常识产权的亚稳材料体系和制备技术,努力推动研究成果在国防及国民经济领域中的应用,培养一批新的年轻学术带头人和学术骨干,培养出高质量的博士生和硕士生。

编辑 姜恩 艾冬梅 材料科学与工程学院何巨龙教授为本文提供大量相关材料/ 编辑 艾冬梅

 

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