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| 中国科学院院士柳百新 |
| 发表日期：2015/9/11 新闻来源：天下柳家人 |
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柳百新，材料科学家，中国科学院院士。提出离子束混合在二元金属系统中形成非晶态合金的经验规则和热力学模型，并用第一性原理计算论证了亚稳合金相的稳定性。提出金属多层膜中非晶化反应的判据，并用分子动力学方法揭示其原子运动机制。阐明了离子注入形成金属氮化物的规律。发展出强流金属离子注入制备金属硅化物的新技术。
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关系表
中文名 柳百新
民 族 汉
出生日期 1935年6月10日
毕业院校 清华大学
代表作品 1989年应邀为德国“固态物理”期刊撰写了综述性论文
国 籍 中国
出生地 上海
职 业 科学家
主要成就 材料科学家，中国科学院院士
目
录
1人物生平
中学时代
考入清华
物理系工作
加州理工学院研究
2学术兼职
3学术成果
4研究领域
研究方向：
科研项目：
5学术奖励
获奖年份
详细情况
6教学情况
7重要研究成果
1 人物生平 编辑
1935年6月10日 出生于上海市。
1955-1961年 在清华大学工程物理系学习，毕业后留校工作至今。
1961年- 任清华大学副教授、教授。
1981-1982年 美国加州理工学院访问学者。1984年- 当选为国际玻姆物理学会科学委员。
1988-1989年 任中国高等科学技术中心特别成员。
1992-1995年 任国家自然科学基金委学科评审组成员。
1993年- 任国际期刊《Nuclear Materials》顾问编委会委员。
1994年— 任清华大学校务委员会委员。
1998年 当选为美国物理学会理事（Fellow）。
1999年— 任国家自然科学奖、科技进步奖和发明奖学科评审组成员。
2001年 当选为中国科学院院士。
2002年— 任北京市学位委员会“材料科学与工程”学科评审组成员。
2002年— 任国家自然科学基金委学科评审组成员。
现任：清华大学材料科学与工程系教授，博士生导师，清华大学校务委员会委员，学术委员会委员。
柳百新少年时曾经历过日本帝国主义对中国的侵略和国家经济落后、人民生活贫困的年代。因此，他怀着国家能够强盛起来的愿望迎来1949年的解放。这一年，他小学毕业了，并下决心长大后为国家建设出力。家庭中，父亲对工作的精益求精和十分节俭的作风，母亲不遗余力地辅助父亲的事业、悉心养育子女的深厚亲情都对柳百新以后的为人有深刻的影响。在小弟弟尚未出生前，全家6口人只住石库门房子中的两间半正房，但他的父母却为孩子们购置了商务印书馆出版的500本“小学生文库”。从文库中柳百新读到了“孔融让梨”等故事，他还特别爱读“三国演义”。每逢年终，他母亲还要带孩子们到书店去选购一批图书。因此，柳百新从小就养成了爱读书的习惯。大哥柳小培和大嫂陈淑卿解放前就参加革命，中华人民共和国成立后在北京外国语大学工作，他们全心全意为人民服务的精神为柳百新树立了榜样；姐姐柳百敏对少年时体弱的柳百新总是倍加照顾，她毕业于上海外语学院，但从事的是她爱好的体育、教练和体育科研工作；二哥柳百成比柳百新大两岁，他们从小一起生活并长大，上的是同一个小学、中学和大学，现在都是清华大学的教授，哥哥是中国工程院院士，弟弟是中国科学院院士。柳百新的伯父柳溥庆是一位知名的印刷技术专家，生前任中国人民银行总行的总工程师。他20世纪20年代去法国勤工俭学，1926年入党。1939-1941 年间和柳百新的父亲等人在上海为新四军秘密印制解放区使用的钞票，印制中用的铜版是柳百新的父亲精心设计和雕刻的。柳百新的姑姑柳静和姑夫吴朗西于20世纪30年代在上海创办文化生活出版社，出版进步的作品和名著，如鲁迅的作品，巴金的《家》、《春》、《秋》等。父亲一辈人为了民族富强、国家兴旺而奋发图强的精神深深地印在柳百新的思想深处。
中学时代
1949-1955年，柳百新就读于上海市圣芳济中学（后改名为时代中学）。6年的中学生活使他在3个方面大受裨益。一是系统和高水平的英语教学，老师的纯正发音，要求学生朗读课文等，使柳百新在中学期间打下了扎实的英语基础；二是比较灵活的教学方法，有些老师有大学或国外留学的学历，教学中带有启发性；三是非常重视体育，每天课后，几乎所有的学生都参加体育锻练。50年代中，这个中学的排球队曾战胜包括成人队在内的所有对手而获得上海市冠军，成为体育界的一段佳话。柳百新在中学期间，以刻苦认真的学习取得优异成绩，有一年考试共11门课，他得了7个100分。在校期间，他积极参加体育活动，曾以1.55米的成绩获得过跳高亚军。因此，中学的6年也使他的体魄强健起来，并锻炼了他的毅力和意志。后来，他在清华大学学习期间，曾是校羽毛球队的队员。
考入清华
1955年，柳百新考入清华大学，被分配在工程物理系学习。大学期间，他特别注意自学能力的培养。1957年，在学习“分析力学”时，柳百新发现由于课程衔接中没有学过“一阶偏微分方程”的基础知识，因此听课时有较大的困难。他到图书馆找到了一本数学书，自学了两个月才真正体会到“分析力学”在处理多粒子问题中的“美妙”之处。柳百新认为外语是一个重要的工具，需要刻苦学习、反复练习才能达到“熟能生巧”的境界。三年级学习“光学”时，他就直接看俄文参考书。后来，他认为上课时听老师的讲解，课后再看俄文参考书，学会新的物理内容。因此，他找了一本内容不熟悉的俄文科学论文，用了一个多月时间，通过俄文理解了物理内容。
物理系工作
1961年毕业后，柳百新被留在工程物理系工作，第一项任务是开“固体物理”课。他备课认真，写出详细的教案，讲课效果很好。1963年，柳百新和同学了6年的倪蕙苓组织了自己的家。倪蕙苓是天津市人，1955年进入清华大学工程物理系（核物理专业）学习，毕业后在中国科学院原子能研究所（后改为高能物理研究所）工作。她主持研制的亮度监测器，为1988年正负电子对撞机上正负电子的首次对撞成功提供了第一时间的直接证据。在将近半个世纪的岁月里，他们始终相互帮助，相互照顾，共同前进。
“文化大革命”期间，柳百新于1969年被派到江西鲤鱼洲农场去接受“再教育”。同年底被调回清华大学从事核能研究。1978年，柳百新回到工程物理系做教学和研究工作。1980年初，他靠着扎实的材料科学和英语的基础通过了选拔出国进修的3门考试，于1981年初由国家教委公派去美国加州理工学院做访问研究。
加州理工学院研究
1981-1982年，柳百新在美国加州理工学院做了大量研究工作，发表了9篇第一作者和8篇合作作者的论文。80年代初，在“离子束材料改性”领域中提出了一种新的离子束混合实验方法，柳百新的第一份工作就是用这种方法研究非晶态合金的形成。经过调研，他提出了科学上的假设，并用系统的实验作了论证，由此提出了“结构差异规则”。1982年，应邀在法国举行的第三届“离子束材料改性”国际会议上作报告，受到与会者的高度重视，一位法国教授把他报告的每一张胶片都拍了照。此外，加州理工学院活跃的学术氛围及学者们对基础研究的热情和“乐在其中”的精神状态给柳百新留下了深刻的印象。
2 学术兼职 编辑
美国物理学会理事(Fellow)；
1998年，当选为美国物理学会理事；
国际期刊J. Nuclear Materials顾问编委会委员；
国际玻姆物理学会(Bohmische Physical Society)科学会员；
3 学术成果 编辑
长期在载能离子束与材料的作用及改性、薄膜材料和核材料等领域从事研究工作。以金属多层膜离子束混合为实验手段研究亚稳合金相的形成与相变,提出二元金属系统中非晶态合金形成的经验模型，建立相应的热力学模型，提出从原子互作用势计算玻璃形成能力，并从第一性原理计算亚稳合金相的稳定性。提出用离子束辐照研究非晶态合金相变临界现象的思想，发现固体薄膜中分形生长的新现象。在氮离子注入研究中，阐明了金属氮化物形成的热力学和生长动力学规律，发展出强流金属离子注入在硅表面合成金属硅化物的新技术。用实验论证了生成热为正的系统中,多层膜中的界面能有可能驱动固态非晶化反应，提出相应的理论判据，并用分子动力学模拟揭示了界面反应的原子运动机制。
4 研究领域 编辑
研究方向：
离子束与固体的作用及材料改性、计算材料科学、薄膜材料、核材料等。
科研项目：
（部分项目名称）
1．国家重点基础研究发展规划(973)课题：
载能离子束制备新材料的基础研究。
2．国家自然科学基金重点项目：
金属合金系中界面、亚稳相及相关性能的实验研究和物理多尺度理论计算。
教学情况：培养了22名博士和6名硕士。
1995年，毕业的张政军博士获得全国首届百篇优秀博士论文奖；
1998年，毕业的陈益钢博士名列1997年度SCI论文数全国第二名；
3名博士生获得国家杰出青年基金；
7名博士生获得德国洪堡博士后奖学金；
5 学术奖励 编辑
获奖年份
获奖年份
所获奖项
1993年 国家自然科学二等奖
1999年 国家自然科学三等奖
1997年 北京市科技进步（自然科学类）一等奖
1993年 中国物理学会,叶企孙,（,凝聚态,）物理奖
1990年 国家教委科技进步（甲类）一等奖
1986年 国家教委科技进步（甲类）一等奖
1997年 北京市教学成果一等奖（项目名称：培养国际一流水平博士生的研究与实践）
1995年 北京市优秀教师称号
1997年 全国优秀留学回国人员,荣誉证书
详细情况
1982年底柳百新按时回国，并积极准备开展研究工作。
1986年，他获得了第一份国家自然科学基金，使他能启动思考了一段时间的基础研究。后来，他连续获得过2项重点和8项面上基金。随着工作的发展，他还获得过“863”和“973”项目的科研经费、国际原子能机构的资助、与美国通用汽车公司和美国联合技术公司合作的科研经费。他的研究领域包括载能离子束与固体的作用及材料改性、计算材料科学、薄膜材料和核材料等。
20年来，发表学术论文330多篇，其中国际会议论文48篇；SCI收录论文290篇。1991年他名列SCI收录个人发表论文数全国第一名。发表的论文迄今已被引用2000多次。他曾访问过14个国家以及香港和台湾地区，在国际会议上报告40次，其中邀请报告20次，并应邀在著名的大学和研究所做学术报告40多场次。柳百新的研究成果受到国内外同行的高度重视。
1984年，他当选为玻姆物理学会（Bohmische Physical Society）（专业为粒子—固体相互作用）的科学委员；
1988-1989年应邀担任中国高等科学技术中心特别成员。1993年起应聘担任国际期刊《J.Nuclear Materials》的顾问编委会委员；1998年当选为美国物理学会（American Physical Society）理事（Fellow）；
1999-2000 年应聘担任国家重点基础研究发展规划的项目咨询顾问组成员。
1999年以来，还应聘担任国家自然科学奖、科技进步奖和发明奖以，及国家自然科学基金委学科评审组的专家等。柳百新曾以第一完成人获1986年和1990年度教委科技进步奖一等奖，1993 年度国家自然科学奖二等奖，1997年度北京市科技进步奖一等奖和1999年度国家自然科学奖三等奖。他个人还获得中国物理学会授予的叶企孙（凝聚态）物理奖。
2001年，柳百新当选为中国科学院院士。
6 教学情况 编辑
培养了27名博士和6名硕士。1995年毕业的张政军博士获得全国首届百篇优秀博士论文奖；1998年毕业的陈益钢博士名列1997年度SCI论文数全国第二名；3名博士获得国家杰出青年基金；7名博士获得德国洪堡博士后奖学金；等。柳百新因培养研究生的工作获1997年北京市教学成果一等奖[项目名称: 培养国际一流水平博士生的研究与实践]，1995年北京市优秀教师称号和1997年全国优秀留学回国人员荣誉证书。
研究梯队：赖文生副教授；李正操副教授；李家好博士后；博士生10名； 实验室工作人员等。
7 重要研究成果 编辑
阐明离子注入下金属氮（碳）化物的形成规律
氮（碳）离子注入在金属表面层中有可能形成相应的氮化物（碳化物）而改善材料的摩擦学性能。柳百新带领几名学生对20 多种金属作了系统的研究，获得多种新的合金相，揭示了新相与母相结构匹配的重要性，由此提出结构适应性原则，并用快速切变机制解释了实验中观察到的有关相变。研究结果综合阐明了金属氮化物（碳化物）形成中热力学和生长动力学诸因素各自的作用和主次关系。1989年应邀为德国“固态物理”期刊撰写了综述性论文。这项工作也是“863”材料表面优化专题中的课题，结题时受到专家组的表彰。
以上关于非晶、分形和氮（碳）化物的3项研究成果一起获得1993年度国家自然科学奖二等奖，获奖项目名称为：载能离子束与金属作用下合金相的形成与分形生长现象的研究。
提出离子束混合形成亚稳合金相的热力学模型
柳百新领导的研究组以A.R.Miedema模型为理论框架对亚稳合金相进行热力学计算。首次考虑了多层膜中曾被忽略的界面能的作用，并将界面能加在多层膜的初始能态上。计算结果表明：对于生成热△Hf>0的系统，界面能随界面份额（定义为界面层中的原子数与多层膜中的总原子数之比）的增加而增加，因此使多层膜的初始能态升高而与非晶相呈凸形的自由能曲线相交割，从而把合金成分划分为3个区域：中央区域中非晶相的自由能仍高于多层膜，而另外两侧的成分区域中多层膜的初始能态都已超过了非晶相。进一步提高多层膜中的界面份额使初始能态提高，也有可能在非晶相自由能最高的等原子比附近获得非晶态合金。这些预言都用离子束混合实验在多个二元金属系统中得到证实，论证了对于△Hf>0的系统，界面能是非晶态合金形成的热力学驱动力；而对于△Hf<0的系统，界面能的影响是较小的，负的△Hf本身是非晶化相变的驱动力。由此建立了适用于△Hf<0和△Hf>0（实验中研究的系统的最大生成热为+65kJ/mol）的二元金属系统中多层膜离子束混合形成非晶态合金的热力学模型。
离子束混合还获得众多的亚稳晶态合金。经常观察到的是A3B和AB3型亚稳晶相（A和B代表A-B二元金属系统的两个组元金属）。柳百新领导的研究组提出了改进的热力学算法，计算出这两种亚稳晶相的自由能曲线，由此构造了更为完善的Gibbs自由能图。对于计算得到的自由能图，首次提出用稳态退火的实验来检验其合理性的思想。结果表明：退火中有关合金相随升温而出现的次序与自由能图所预言的相符，由此肯定了构造的自由能图（至少在框架上）是合理的。
对于上述两类亚稳晶相，提出bcc-hcp-fcc（体心立方—密堆六角—面心立方）两步骤相变的生长动力学机制，揭示了从bcc 为基的合金中先后生长出hcp和fcc相的原子运动模型，并推导出hcp和fcc相的点阵常数，与实验中用衍射分析测定的值符合得很好。近年里，柳百新指导的博士生从第一性原理计算肯定了二元金属系统中存在相应的两种亚稳物质状态，对应于实验中获得的上述两种亚稳晶相，从固态电子结构的层次阐明了A3B和AB3型亚稳晶相的稳定性。
这项研究成果使经验规律上升到热力学和生长动力学的理论模型，对亚稳合金相的形成及相变理论的发展作出了有意义的贡献。阐明了界面能是△Hf>0的系统中合金化和非晶化的主要驱动力，由此可以通过多层膜的设计而制备出成分可调的新型亚稳合金。本领域奠基人之一、美国工程院院士J.W.Mayer给于很高的评价，称之为“multilayer technique”。1998年，由Mayer和其他4位美国学者联合提名，柳百新因为“对离子束混合形成非晶态合金的理解所作出的杰出贡献”而当选为美国物理学会理事（Fellow）。
提出固态反应非晶化的热力学和原子运动模型
1983年以来，文献中一直认为多层膜中固态反应非晶化的必要条件是系统的生成热很负和原子尺寸差很大。柳百新领导的研究组首先用系统的实验论证了固态反应非晶化也可以在生成热为正的系统中发生，论证了多层膜中的界面能是非晶化相变的驱动力。关于Cu-Ta多层膜的实验结果发表于1995年底，而国外用Cu-Ta双层膜观察到同样相变的工作发表于1999年。柳百新等人又进一步定义了热力学和动力学因子，对研究过的28个系统作了定量的计算，由此提出固态反应非晶化的理论判据，与迄今发表的实验结果相符合。
对Ni-Mo，Ni-Nb，Ni-Ta，Ni-Ti等系统，应用已建立的原子相互作用多体势，通过分子动力学方法在原子运动的层次研究了固态反应的动力学：观察到穿越界面的原子迁移、揭示了非晶化受扩散或界面控制的规律、揭示了界面织构可能在非晶化中起形核或生长位垒的作用、并观察到两种金属晶体无序化的先后次序。根据模拟和实验结果，柳百新等人首次阐明了晶态—非晶态相变的物理本质是晶格中固溶原子超过临界固溶度时的塌陷。由此推理：当两组元金属的固溶度有差异时，在其他条件相同的情况下，非晶层向固溶度小的金属方向生长得应该较快，所作预言与实验观察结果相符。
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