向大卫·特恩布尔致敬

Michael J. Aziz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。

特恩布尔自成立之初就与MRS联系在一起,他发现它的跨学科章程符合他的兴趣范围。他是早期激光和离子束-固体相互作用研讨会的积极参与者,例如,他提出了非晶态Si和Ge的结晶焓测量,并成功地与Frans Spaepen合作,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MRS Fall会议上的固定人物,一直到最后都在竭尽全力地研究。拉梅什,你知道他今天会在这里,祝贺你并期待你的演讲。

特恩布尔是1979年材料研究学会的最高荣誉——冯·希普尔奖的第三位获得者,之前是bobapp冯·希普尔本人和贝尔实验室主任威廉·贝克。在他的演讲中,他以其特有的谦虚说道:“我是否属于这一进程还不清楚。我觉得我处在一个像莱纳斯一样的位置。我相信你们都认识两位名叫莱纳斯的名人,但你们可能没听说过我所说的莱纳斯。他是[…继使徒彼得和保罗之后的第一位罗马主教”。很明显,他的谦虚是没有道理的,特别是在1986年他获得日本奖的时候,以及在他退休后,夫人在1992年为他设立了特恩布尔讲座奖。

特恩布尔获得了博士学位。物理化学于1939从伊利诺伊大学毕业。随后,他加入了凯斯应用科学学院(Case School of Applied Science),在二战期间,他在那里训练海军学员,并对合成橡胶和重型润滑油添加剂的改进进行了研究。在此期间,他开始对当时被称为“固态科学”的东西感兴趣,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,这在当时是一个非常经验性的领域。

1946年他加入了通用电气(General Electric)研究实验室的第一个草药Hollomon集团的成员,是形成一个跨学科的团队表示从冶金、应用力学、化学和物理攻击带来的问题反应的金属机械和热治疗。

到20世纪50年代早期,Hollomon的团队是世界范围内展示跨学科材料研究方法力量的4个团队之一,这导致了“材料科学”被他称为“超学科”的承认。其他的是威廉肖克利在贝尔实验室的小组,西里尔史密斯领导下的芝加哥大学金属研究所,以及内维尔莫特在布里斯托尔大学的小组。

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,他的过冷结果意味着,如果冷却时粘度急剧上升,液态金属应该可以冷却到玻璃态。他和莫雷尔·科恩一起建立了自由体积模型,这是第一个基于密度波动概率的超阿伦尼乌斯粘度上升的微观解释。这些见解使他相信玻璃转变的普遍性,并使他预测,具有深度共晶的合金是形成金属玻璃的最佳候选者。他的预测被Pol Duwez在溅射淬火金硅共晶合金箔中发现的非晶相所证实。特恩布尔和他的学生随后证明非晶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,以及粘度随温度的快速变化。

特恩布尔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的比值作为玻璃化成形性的指标。1982年,他与同事林赛·格里尔(Lindsay Greer)和他们的学生一起开发了第一种大块金属玻璃,即钯-镍-磷合金,由此证明了这一标准的价值。(本次会议Z专题讨论主题为大块金属玻璃。)金属玻璃有多种用途,最值得注意的可能是作为效率最高的变压器铁芯,目前每年可节省数十亿千瓦时的能源损失。

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,他搬到哈佛大学,那里的跨学科氛围吸引了他,在应用物理学、材料科学和应用力学之间没有组织界限。

大卫·特恩布尔(David Turnbull)是构思和执行简单但关键的实验的大师,他在自传中写道:“我的实验设计总是非常简单,远远没有充分利用通用电气提供的用于复杂实验的宏伟设施。”他写道“我向我的学生强调,虽然我们的硬件很难做到与众不同,但我们可以用我们的智慧做到这一点。”

在哈佛,他教授一门研究生课程,名为“浓缩相过程动力学”,这门课程是由200多名来自哈佛和麻省理工学院的研究生、博士后,以及来自物理、冶金、化学、地质、陶瓷和应用力学的教员选修或认真审核的。

他的作业集堪称传奇。这里我举一个我上这门课时的例子,这学期的最后一个问题集。它只有三个问题,但我觉得有必要做这个注释。首先,我引用特恩布尔教授的话:“‘我试着减少一些,这样你就可以做你的演讲了。’我们的期末考试是给全班同学讲课,并回答他尖锐的问题。问题2是一个个人的里程碑。在过去22年多的时间里,它比任何其他问题都要消耗我更多的时间。第三个问题紧随其后。”作为一名大一的研究生,我显然在为自己感到难过。

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。

所以现在我想带领大家默哀以缅怀他。

这是一段口述的文字记录,摘自大卫·特恩布尔的自传,发表在MRS网站上,弗兰斯·斯派彭的讣告发表在夫人公告(第32卷,第8期,2007年8月,659)和Frans Spaepen和Michael Aziz在《自然材料》(6(2007)556-557)中的文章。