我個人金材專業本碩博，做過鋼，干過鎂，現在又在擼鋁。但是，金屬材料的檢測無非就是OM、SEM、TEM都是看圖說話，簡單的一批。如何能用物理學理論去解釋金材研究中的現象呢？比如，溶質原子的擴散能不用量子理論來解釋，鋁合金中有很多納米級析出相，這些相的尺度已達「埃」級，適用於微觀物理學理論了。如何將物理學與化學的理論成功應用在金屬材料領域中，是金屬材料研究者能否發Nature和Science的關鍵。

能灌水又有點難度的還是多得很，

1，圖像分析結合人工智慧，至少既能被業界用上又能出論文的有金屬材料失效分析，噱頭有了，也很適合鋁合金。相比於其他合金體系，鋁合金各個系列得到了比較好的規範，熱處理也比較定型，模式化比較充分，相對適合數據化，但是這好像需要一個團隊一起干，加上一點時間。

2，表徵的豐富性要上來的話，還是大量使用的鋼鐵里最豐富，記憶合金啦馬氏體啦，微觀除了析出相，可表徵的東西還是多得很的。結合原位表徵和各種場的響應，比如nimnga系可以對磁場力場溫度場發生耦合響應。或者傳統金屬各種約束條件下的相變行為，雖然用處不大，但參數可控，現象豐富。最近的鋁合金science強烈的利用了自然時效這個特點，加個力場上去，談不上實際應用，但是思路很奇特啊。

3，金屬-金屬複合材料加力學，尤其是細觀力學，模型比較多，內容也有難度，很快你就會放棄簡單的一批的想法了，可以很物理。這個學會了，應該算一個一招鮮既能，可以穩定灌水

4，傳統合金里的的反常現象，比如熱縮冷漲材料。如果仔細找每個子領域都會有一些特殊的，比如有的能明顯強化有的不行，有的能劇烈二次再結晶有的相當不明顯，有的納米晶室溫都扛不住，有的800k沒問題。。。這種是ns最偏好的，看運氣碰到一個前人搞得不那麼仔細的反常現象可能會有ns。

5，位錯運動與溫度場的定量或半定量關係，或者說純金屬高低溫(例如金屬Mo室溫附近)導致的塑性脆性轉變機制和控制方法，這個方面細節的解釋是稀少的也是困難的。比如是否金屬鍵會隨溫度改變(純瞎扯)？這個主題也具有一定的現實意義

6，給定成分下互不相容的兩相假合金如何使密度最高，既現實世界的粉末3維密堆問題，不同粒徑粉末怎麼配合堆積後密度大，有什麼規律，怎麼設計做出來的複合材料性能比較好。很多應用場所要求的就是複合金屬材料氣密性好，密度高。雖然工程上只要多試試，差不多就算可以了，但並不是說問題好解決。

傳統金屬只能做到看圖說話的根本原因還是知識水平不夠，實際問題又太難。畢竟現實世界人類對原子的控制能力遠不如宣傳的強大。常見的教科書上也遠不是看圖說話那麼簡單，例如TEM，XRD解析未知結構，這個幾十年前就上了教科書的技能，如果你可以做得很順溜，那就是范海福，施一公院士的水平，這遠遠超過了看圖說話。

這個問題有點大，估計得在傳統金屬領域發過Nature Materials以上文章的人才算真的有資格回答吧。不過本題確實和我的研究方向很近，所以還是覥著臉來強答一番，短淺之處還請各位見諒。

跟拓撲/超導等凝聚態領域比起來，傳統金屬領域的頂刊確實不算多。就我比較熟悉的方向而言，大致可分為這麼兩類：

top-down 自上而下型：最近北科大在Nature上的一篇高強韌高熵合金[1]以及Science上的一篇室溫塑變強化鋁合金[2]都屬於這類。這類工作首先要把材料的宏觀結果做到非常好（非常優異的強韌性[1]/性能不變但極大簡化的熱處理工藝[2]），然後再在微觀上給出清晰明了的表徵和機理解釋。

在這類文章中，最重要的當然是outstanding的宏觀結果，但業內的人應該都清楚，傳統金屬領域被研究了上千年，靠排列組合的炒菜式摻雜是很難取得突破性進展的。一般來說，好的成果都是在製備樣品（做）-表徵結構（看）-分析機理（算）這個過程中不斷迭代優化出來的。因此，你需要良好的設備把材料快速做出來，高清的電鏡把結構看清楚，紮實的材料理論功底把結果算明白。在機理分析這一塊，傳統金屬領域往往更注重晶體學、位錯/彈塑性理論、缺陷/界面等熱力學經典理論知識，對electronic structure的物理分析倒是不多。

bottom-up 自下而上型：這類工作往往基於一個懸而未決的科學問題，通過系統的觀測/模擬提出理論模型，通過這個模型來解釋/預測實驗現象，從而對解決這個問題提供幫助。我的研究方向之一——氫脆——便屬於這類科學問題。15年西交做的鋁表面氫泡形核的原位觀察[3]以及我老闆12年的做的氫致裂紋擴展機理[4]都屬於這類工作。

在西交的這項工作[3]主要是為了探索鋁表面氫泡的形核點是什麼，他們首先用原位電鏡在輻照環境下直接觀察到了鋁表面的氫致起泡，隨後分析氣泡的結構和長大規律，提出以表面鋁原子擴散為基礎的形核模型，這個模型能定量的和他們的實驗結果吻合。而我老闆的那篇[4]則是純模擬的工作，通過大尺度的分子動力學，直接模擬實驗上無法觀測的裂紋擴展，再結合氫輸運的動力學計算，給出能與實驗吻合的準確預測。

由於這類工作的出發點往往就是atomic level，因此對理論功底的要求是高於top-down類型的工作的。工作具體能做到什麼高度，取決於你提出的模型的準確/預測性。當然，這類工作的上限取決於你所挑戰科學問題的重要性（舉個凝聚態的例子，你要是把高溫超導的機理整明白了，一個炸藥獎肯定是跑不了的）。

參考

  1. ^abEnhanced strength and ductility in a high-entropy alloy via ordered oxygen complexes https://www.nature.com/articles/s41586-018-0685-y
  2. ^abPrecipitation strengthening of aluminum alloys by room-temperature cyclic plasticity https://science.sciencemag.org/content/363/6430/972#BIBL
  3. ^abIn situ study of the initiation of hydrogen bubbles at the aluminium metal/oxide interface https://www.nature.com/articles/nmat4336
  4. ^abAtomic mechanism and prediction of hydrogen embrittlement in iron https://www.nature.com/articles/nmat3479

傳統金屬結構材料，最重要的結合點是力學

表徵最小是到納米，計算一下可能跟埃沾點兒關係，但真正有用還在微米

性能的優化表現區間，表徵能夠有現實意義的梯度都在微米或亞微米

解釋這個尺度的現象不需要微觀物理理論，都還在經典力學範圍內

不過問題也來了，力學本身可能就需要將近兩個PhD的經歷才能搞通透

所以，建議找這方面的人直接合作

畢竟，有的組是可以做到一個個位數成員的組就能佔掉Acta 5%的刊文量

另外，Science Nature這種耳提面命除了當個願景之外無甚意義

能不能中也不是一個結合點就線性決定的

多中幾篇Acta，IJP，APL，PRL，甚至MRL，Scripta都是實在的

做金屬的多少年來年年都是夕陽，回到Al，說是實在的有點兒夕陽中的夕陽

大概兩個月前，朋友一個師弟給看一張高分辨，說找到二系裡一種新的過渡相

前兩天，一個大牛加兩個青千交流階段答疑，幾分鐘將其所有設定推翻

當然，懂行的人不會說這研究就沒價值了，替代點還是有的，雖然不如之前的claim更為恢弘

科研不易，且自珍惜

TEM簡單得一批有點誇張吧？

你說的電鏡分析你能吃透已經很厲害了，參考一下金屬所盧柯院士的論文，可以到NS級別的。說實話，從你的描述，沒感覺到你受過系統的材料學科的培養。

都到博士了，沒接觸過第一原理計算或分子動力學之類的？

第一原理計算基於量子力學的，可以計算各種表面能，結合力，原子間作用勢；有了原子見作用勢，就可以在分子動力學基礎上計算擴散係數之類的，和位錯，晶界結構之類的。這些就可以和宏觀的力學性能，工藝過程結合起來了。

請了解一下凝聚態理論，不過感覺太晚了不知道你還能不能學下去

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