向大卫·特恩布尔致敬

迈克尔·阿齐兹教授

Gordon McKay材料科学教授
哈佛大学工程与应用科学学院
哈佛大学

今年4月,92岁的大卫·特恩布尔在剑桥的家中去世。他奠定了凝聚态相变动力学定量研究的基础,是材料科学跨学科领域发展的巨人。

Turnbull从一开始就和MRS联系在一起——他发现其跨学科章程与他的兴趣范围相匹配。他是激光和离子束-固体相互作用早期研讨会的积极参与者,例如,他介绍了非晶态硅和锗的结晶焓测量,并与Frans Spaepen合作成功预测,这些非晶材料的亚稳一级熔化转变及其发生的温度。

但他的研究范围涵盖了金属、半导体、绝缘体、聚合物和分子固体,他是Fall夫人会议的固定参与者,参加会议到最后都是体能极限。拉梅什,你知道他今天会在这里,祝贺你,期待你的演讲。

1979年,特恩布尔是材料研究学会最高荣誉冯·希佩尔奖的第三位获得者,仅次于冯·bobapp希佩尔本人和贝尔实验室主任威廉·贝克。在他的演讲中,他以特有的谦虚态度评论道:“我不清楚我是否属于这一进程。我觉得我的处境类似于某个莱纳斯。我相信你们都认识两位名叫莱纳斯的名人,但你们可能没有听说过我所指的莱纳斯。他是[…]罗马继使徒彼得和保罗之后的第一位主教”。大家都清楚,他的谦虚是没有道理的,尤其是在1986年他获得日本奖时,以及在他退休后,夫人于1992年为他设立了Turnbull讲师奖。

特恩布尔于1939年获得伊利诺伊大学物理化学博士学位。后来,他加入了凯斯应用科学学院,在那里,二战期间,他训练海军学员,并研究合成橡胶和改进重型润滑油添加剂。在此期间,他开始对当时被称为“固体科学”的学科感兴趣,后来成为“材料科学”的学科。当他向冶金学家教授物理化学的定量学科时,他决定学习冶金学,这在当时是一个非常经验主义的领域。

1946年,他加入通用电气研究实验室,成为Herb Hollomon集团的首批成员之一。Herb Hollomon集团正在组建一个跨学科团队,其代表来自冶金、应用力学、化学和物理学,以解决金属对机械和热处理的反应所带来的问题。

到20世纪50年代初,霍洛蒙的研究小组是世界上4个展示跨学科材料研究方法力量的小组之一,这导致了“材料科学”被他称为“超学科”。其他人是贝尔实验室的威廉·肖克利小组,芝加哥大学Cyril Smith领导下的金属研究所,布里斯托大学的Neville Mott小组。

特恩布尔最引人注目的实验结果是将纯液态金属过冷至绝对熔化温度的20%,这显示了一个惊人的高势垒均匀成核。他通过使小的、分离的液滴分散,使异相或“污垢”杂质被限制在单个液滴的一小部分,从而达到这一目的。当他第一次向斯克内克塔迪的金属科学俱乐部(Science of Metals club)展示在液态汞中获得的大的过冷时,他推测,如果同样处理,不仅是汞,而且是结晶成简单结构的金属也会表现出如此大的液态过冷。他在通用电气的同事戴维·哈克(David Harker)的反应非常坚决。他说:“如果你能使熔化的铜低于熔点几度,我就把我的帽子吃了!”会议结束后,特恩布尔迅速展示了熔化的铜、银、金和许多其他金属的小液滴可以被冷却到远低于其熔点的温度。哈克欣然接受了这一结果,并在下次会议上带着一顶瑞士奶酪做的帽子出现。

特恩布尔的过冷实验表明,简单熔体的结构与简单晶体的结构完全不同,这成为现代理解液态结构为多面体的基础。此外,他发展了均相晶体成核的理论,并使用确定的定量实验对其进行了测试,这些实验仍然是同类模型。

特恩布尔意识到,他的过冷度结果意味着,如果冷却时粘度急剧上升,那么液态金属就有可能冷却到玻璃态。与莫雷尔·科恩合作,他开发了自由体积模型,这是第一个基于密度波动概率的超阿累尼乌斯粘度上升的微观解释。这些见解使他确信玻璃化转变的普遍性,并使他预测,具有深共晶的合金是形成金属玻璃的最佳候选者。Pol Duwez在金硅共晶合金的喷溅淬火箔中发现了非晶相,这证实了他的预测。特恩布尔和他的学生随后证明,非晶态金属相是真正的玻璃,因为它们表现出玻璃转变的特征:比热和热膨胀系数的不连续性,以及粘度随温度的快速变化。

Turnbull利用他对成核和玻璃化转变的理解,提出了玻璃化转变温度与液相线温度之比,作为玻璃成型性的优值。1982年,他与同事林赛·格里尔(Lindsay Greer)及其学生一起开发了第一种大块金属玻璃——钯镍磷合金,证明了这一标准的价值。(本次会议上的专题讨论会Z是关于大块金属玻璃的。)金属玻璃已在各种应用中找到了用途,也许最值得注意的是作为最高效率的变压器铁芯,目前每年可节省数十亿千瓦时的能量损失。

除了展示了像晶体成核这样奇特复杂的现象是如何产生令人兴奋的、严格的和适用的科学之外,特恩布尔还对各种各样的材料现象做出了关键贡献,特别是沿扩展缺陷的短路原子扩散,贵金属在半导体和多价金属中的快速扩散,晶体生长,晶粒生长和再结晶。

1962年,他来到哈佛大学,那里的跨学科氛围吸引了他,应用物理学、材料科学和应用力学之间没有组织边界。

大卫·特恩布尔是构思和执行这个简单但关键的实验的大师,他在自传中写道,“我的实验设计总是相当简单,远远没有充分利用ge提供的宏伟设施进行复杂的实验,”他写道,“我向我的学生强调,虽然我们很难用硬件实现卓越,但我们可以用我们的智慧做到这一点。”

在哈佛,他教授了一门名为“凝聚相过程动力学”的研究生课程,该课程由来自哈佛和麻省理工学院的200多人学习或忠实审核,其中包括物理、冶金、化学、地质学、陶瓷和应用力学的研究生、博士后和教员。

他的家庭作业集堪称传奇。这里我举了一个我上这门课时的例子,这学期的最后一道习题。它只有三个问题,但我觉得必须做出这样的诠释。首先,我引用特恩布尔教授的话:“我试图减少一些,这样你就可以继续你的演讲了。”[我们的期末考试是给全班同学做一次讲座,回答他尖锐的问题。]问题2是我个人的一个里程碑。在过去22年多的时间里,它比任何其他单一问题占用了我更多的时间。而问题3是紧随其后的第二个。”作为一名一年级的研究生,我显然为自己受到的压迫感到难过。

当我读到他在自传中所写的内容时,这一切都说得通了:“似乎我从解决难题中学到的最多,而从课堂讲解中学到的很少,不管课堂讲解多么精彩。”正因为如此,我自己的教学重点一直是提出有意义和有挑战性的问题。”我们中至少有200人真正理解他的意思,在这次会议上也有很多人。

在哈佛,他指导了40名博士生(我有幸就是其中之一),还有10名博士后。在认识和发挥我们的个人优势方面,以及他在通用电气的每一位同事的优势方面,他是无人能及的。

在他的自传中,他讲述了他是如何想继续在伊利诺斯州西部的家庭农场工作的。童年时的哮喘使他走上了去蒙茅斯学院的道路,成为了科学家、领导者和导师,我们中的许多人都非常感激他在我们中间。

因此,现在我要为他默哀一刻,以纪念他。

这是一份口头悼念的抄本,摘自大卫·特恩布尔在夫人网站上发表的自传,由弗兰斯·斯佩彭在《纽约时报》上发表的讣告夫人公告(Vol 32, No.8, 2007年8月,659),由Frans Spaepen和Michael Aziz发表于《自然材料》(6(2007)556-557)。