随着社会的发展和科技的进步，能源危机、环境恶化与人体健康等问题愈发突出，如何科学、合理、可持的续稳步推动人类社会的发展，为人们创造舒适、健康、友好的生存环境是科学家们长期以来探寻的领域。在元素周期表中有这样一种元素，它的合金既能应用在航空航天、汽车制造、能源储存等领域，同时，该元素在人体中也扮演着至关重要的角色，对于维持人体健康具有重要意义。它，就是镁元素。
图1：燕山大学“科学家讲科学”科普讲座现场
镁，作为元素周期表中第二主族的轻质碱土金属，自1808年被英国化学家戴维发现以来，其独特的性质一直吸引着科学家们的目光。镁不仅具有银白色的外观，还因其高比强度、高比刚性以及良好的延展性和热消散性而备受青睐。更值得一提的是，镁在地壳中的储量丰富，中国是世界上镁资源的第一大国，这为中国科学家在镁合金的深入研究和广泛应用过程中提供了坚实的基础。
镁材具有独特的“轻”、“氢”、“亲”的3Q之美特性。镁合金的3Q特性中，“轻”是其最为显著的特点。镁合金是目前最轻的实用化结构金属，其比重仅为铝的2/3，铁的1/4，这使得它在航空航天、新能源交通等领域具有广泛的应用前景。而“氢”则是指镁合金作为固态储氢材料的优异性能，其理论储氢量高达6.7wt.%，为实现“双碳”目标提供了有效途径。最后，“亲”则体现在镁合金的生物相容性上，它可以在人体环境中降解，降解产物明确、代谢途径清晰，因此有希望被广泛应用于心血管、骨科等医学领域。
图2：燕山大学彭秋明教授
在镁合金的研究中面临着一个国际性难题——如何在不损失塑性的基础上提高镁合金的强度。为了解决这个问题，彭秋明教授团队受到大自然的启发，提出了“镁合金亚稳结构强韧化”的思想，并通过高压技术、梯度孪晶-孪晶和梯度孪晶-层错等新型亚稳结构的制备，成功实现了镁合金强度和塑性的平衡。这些新型亚稳结构不仅具有优异的力学性能，还具有良好的成形性和加工性，为镁合金的广泛应用提供了强有力的支持。目前，彭秋明教授团队已经成功将相关技术应用于工业生产中，制备了多种高性能的镁合金产品，以满足工业产品升级的需求。
镁合金在储氢方面的独特优势，使其成为实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑技术。氢气能源的利用离不开高效安全的储氢技术，而镁合金凭借其价格低、储氢容量大的特点，成为理想的储氢材料。镁合金的放氢温度高和循环性能不足一直是制约镁合金应用的关键因素。针对这些问题，彭秋明教授团队从原子层面开展了深入研究，揭示了镁氢化过程中的微观机制，并通过高压凝固方法制备了超细的枝晶结构，成功提高了镁合金储氢材料的循环性能。目前，彭秋明教授团队已利用这一技术制备出的高性能镁合金储氢粉体装备了高纯固态储氢氢罐，并在叉车上进行了试用，展现了镁合金在储氢领域的巨大潜力。
镁合金在生物医用领域展现出高亲生物活性的优势。传统的医用金属材料虽然具有高的强度和塑韧性等优异性能，但往往存在弹性模量高、生物惰性等问题。而镁合金作为一种可降解的生物医用金属材料，不仅力学综合性能优异，与骨组织匹配，还具有良好的生物相容性和可降解性。彭秋明教授团队针对生物镁合金的力学不匹配、降解不可控和降解产物毒性不可知等科学难题，研制了一种新型的可降解镁合金金属材料。通过体内动物实验验证，该材料在4周开始降解，12个月左右降解完成，且与骨组织生长同步进行，无明显的空洞空隙。目前，彭秋明教授团队已制备出多种型号的镁合金骨钉和支架，为医学骨科手术领域提供了新的选择。
镁的3Q之美远不止于此，如同冰山一角，还有还有许多未知的领域等待彭秋明教授团队去深入探索。让我们期待彭秋明教授团队在未来给大家带来更多惊喜和突破吧！
