复旦硬核青年：破解核材料百年难题，为人造太阳锻造不灭铠甲

张宏亮至今记得童年时那些停电的夜晚，在中国东北的小城，停电后烛光摇曳，映照着课本上，也让他很早就对能源这两个字有了切身感受。那时停电并不算少见，蜡烛几乎是家家户户的必备品。也正是在那时一种对稳定电力的渴望埋在了他的心里。

2009 年，张宏亮考入了复旦大学，他选了一个当时正迎来转折的专业。彼时，国家将核电政策从谨慎发展调整为积极发展，核科学系在复旦恢复了重建。作为重建后的第一届本科生，他觉得前路一片开阔。

但是转折来得很快，2011 年春季的福岛核事故震惊全世界。国务院之前批复的二十几个核电站项目，仅有六个在建的获得核准继续建设，其余均被叫停，整个行业瞬间进入了寒冬。

这次震荡改变了许多人的未来规划，也重塑了张宏亮对于自身专业的理解。他开始意识到核电站的安全问题，本质上是材料的原因。在福岛核事故中，核结构材料在极端环境下的失效，是酿成灾难的关键因素。自此他下定决心，想要攻克这个难题。在他看来，行业的危机也是个人发力的机会。于是他选择留下来，在复旦进行本硕博连读，一头扎进核材料研究至今。

读博期间，张宏亮主要研究一种叫 MAX 相陶瓷的材料。这种材料有着层状的结构，这赋予了它独特的性能，让它既有陶瓷的耐高温性和抗辐照特性，又有金属的导热性和可加工性。

但是，传统的制备方法需要高于 1,000°C 的高温，成本和能耗都很高。为此他花了好几年时间，制备出一种低温反应磁控溅射新工艺，把制备温度降至 450°C。这不仅极大降低了成本和能耗，还让材料的辐照稳定性得到了明显提升，同时也是他科研生涯的第一个重要成果。

博士毕业之后，张宏亮前往美国威斯康星大学麦迪逊分校做博士后研究。在那里，他的研究逐渐深入到极端条件下材料性能变化的微观机制。后来，他发明出来一种精准可控的人工界面合成技术，让他看清了陶瓷材料在辐照下发生的一个关键现象。

在之前很长一段时间里，业内普遍认为陶瓷的原子结构非常稳定，无法像金属那样发生辐照诱导偏析。但是，张宏亮和合作者用实验推翻了这个结论，他们在碳化硅这样一种重要的陶瓷材料中发现，当该材料受到离子轰击时，碳原子就会脱离晶格位置，开始向晶界处迁移和富集。这个现象在金属中非常常见，但在陶瓷中还是头一次被清晰揭示出来，相关论文发表在《自然·材料》上，自此学界重新审视陶瓷材料在核环境下的行为。

在另一个细分方向上，张宏亮向一个世纪难题发起了挑战。金属材料往往面临强度和延展性不可兼得的困境：强度高了材料就会变脆，延展性好又总是不够硬。后来，他在一种叫做钐钴的金属间化合物中，揭示了一种全新的变形机制。当材料受力的时候，内部会形成一些非常窄的非晶剪切带。

这些剪切带就像润滑剂一样，让原子层之间能够滑动，这样一来既吸收了能量，又不会让材料断裂。这一成果打破了传统认知，为设计又强又韧的金属材料开辟了新路径。相关论文作为封面文章发表在《自然·材料》上，被国际同行评价为开辟了金属塑性变形的革命性新路径。

在美国期间，张宏亮还曾担任威斯康星大学加速器实验室的主任，这段履历让他对离子束技术有了更深入的理解，也为他回国之后搭建自己的实验平台积累了关键经验。

2023 年，张宏亮回到母校复旦，成为该校现代物理研究所的一名青年研究员。他的目标是把基础研究积累的能量转化为解决国家重大需求的真功夫，同时他的研究范围也从裂变堆拓展到了聚变堆，也就是为“人造太阳”寻找可靠的材料解决方案。

他回到复旦之后做的第一件事，就是自主设计并搭建了一套国际首创的双离子束动态原位研究系统。这套设备能够模拟聚变堆内部复杂的高辐照和高温环境，借此可以实时观察到材料在极端工况下的动态变化，为筛选和评估聚变材料提供了全新的手段。

燃料包壳，是核反应堆的核心部件。为了更好地分析它，张宏亮和团队开发了一套融合机器学习与纳米三维重构的分析方法。通过此，他们首次揭示了氧化层内部纳米孔洞网络、晶体取向和内应力这些微观特征，与锆合金宏观腐蚀速度之间的关联特点。

基于这些成果，他们成功优化了合金制备工艺，将关键包壳材料的腐蚀速率降低了超过 40%。这项技术目前已经走出实验室，在国内的压水堆中进行了实际验证，未来将直接服务于提升核电站的安全运行寿命。

在高温防护领域，张宏亮和团队还发明了一种多功能集成式超高温环境降涂层系统。这种涂层利用多层结构的协同作用，能够保护关键材料在 1,600°C 以上的极端高温下实现稳定工作，这对于下一代航空发动机、高超声速飞行器以及先进核反应堆都至关重要。

目前，张宏亮在材料科学方面的研究已经凝聚为 80 余篇 SCI 论文，其中 20 多篇发表在《自然·材料》《科学进展》等顶级期刊。他还获得了国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（海外）、上海市领军人才、美国金属矿物学会最佳研究论文奖以及国际腐蚀理事会青年科学家奖等荣誉。

作为一名核能领域的科学家，他也非常理解公众对核能的恐惧，他认为畏惧往往源于不了解。他举例说道，秦山核电站位于浙江海盐县，当地人对核电的接受度就非常高，就是因为大家看得见、摸得着，知道它是安全可靠的。

他说，核电站离得越近的人就越不怕，离得越远的就越害怕。而他的研究的意义，就是让核能变得更安全和更经济。他说，一个核电站一年为一个百万人口城市提供的电力，所产生的废物可能一辆小卡车就运走了。如果电价还能得到进一步降低，那么这种清洁高效的能源自然会得到更广泛的应用。

谈及核能的成本，张宏亮给出了几个具体的数据。当前核电的电网价大约在两毛钱一度，比水电和风电稍微高一点。他做的材料研究课题，不管是降低制备成本，亦或是延长部件使用寿命，最终都会体现在电价上。当核燃料包壳材料的腐蚀速率降低 40%，就意味着换料周期能被延长，停机检修的次数就会减少，发电成本自然也就随之下降。

在技术转化上，张宏亮与中国核工业集团、国家电力投资集团、中国广核集团这三大核电集团保持着紧密合作。他把自己定位为一个解题人，当业界遇到解释不清的现象和行业痛点时，反馈到他的实验室里，他就会和团队从机理层面做分析，找到根源之后再给出解决方案。这种从现实需求出发、再回到现实应用中去的研究模式，让他的成果始终贴着地面走。

回看自己的科研之旅，张宏亮很看重耐心这个特质。在以做实验为主的研究里，实验失败是家常便饭。他早已学会了接受失败，甚至把失败看成一种筛选。每一次失败都能排除一个错误选项，或者暴露出来一个之前没注意到的细节。他同时相信运气也很重要，但运气通常藏在坚持和思考之后。多年经历让他意识到，那些意料之外的发现，往往是对不放弃的人的奖励。

很多材料科学家都在拥抱 AI，但他可能拥抱得更早。他在美国做博后的时候，有一次听了一个关于 AI 识别猫的讲座。当时应用型 AI 刚起步不久，识别猫和狗的准确率只有 60%-70% 左右。

张宏亮想到自己所研究的核材料缺陷，其形状要比猫狗简单得多。于是，他开始琢磨能不能把同样的方法拿过来用。带着这个设想，他从 2017 年底的时候开始尝试，到 2018 年底做出了第一项成果。一开始准确率不到 90%，后来逐渐提升到 99.99% 以上。

现在他和团队用这套方法，从原来一天仅能看七八张照片，到现在一个小时就能处理上百张。省下来的时间能被用于统计更大范围的样品，进而能够发现那些小概率出现的现象。而这个跨界融合的思路，目前已经成了他研究中的一个重要工具。

谈到将来的能源图景，张宏亮说希望可控核聚变商业化尽早实现，到那时能源可能会变得像路灯和马路一样，成为一种随手可用的基础设施。城市里可能不再会有严寒和酷暑的困扰，偏远地区的用电也不再是难事。

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