有一段时间，黄超常常梦见自己变成了一颗氢原子。

那是2024年，他在澳大利亚悉尼大学读博二。深夜合上电脑睡去，他就“掉进”了金属晶格里，与周围的氢原子一起迁移、停留。有时画面会突然切到第三视角，他看着眼前的原子快速移动，就像白天在实验中观察到的那样。

白天，他在观测碳扩散如何影响氢原子的行为，翻来覆去想问题；到了夜里，原子也不肯放过他。

而他想看清的东西，导师一开始就委婉地提醒过：“这个实验可能做不出来。”

两年后，曾让他辗转反侧的梦，不再只是一个“梦”。11月4日，黄超作为第一作者完成的论文在Nature正式上线。研究首次用可靠证据识别了金属晶格中的固溶氢（直接“溶”在晶格里、没有被缺陷捕获的氢），并确认了影响氢固溶能力的因素。审稿人给出的评价是“野心勃勃”（ambitious）。

▲黄超在实验室进行冷冻三维原子探针实验。

“这个实验可能做不出来”

黄超与氢原子的缘分，是一点点积累起来的。

2019年，他来到哈尔滨工业大学（深圳）教授刘兴军的课题组，做合金设计相关研究。研究越往深处走，他越意识到，材料宏观性能的变化，最终都能追溯到原子尺度上的结构与化学变化。

对原子尺度的观测，离不开两样“利器”：透射电子显微镜能观察晶体结构与缺陷，三维原子探针能在三维空间解析原子的位置。但彼时，国内鲜有高校拥有这些造价极高的先进仪器，做相关实验往往要与第三方公司合作。

规划博士生涯时，黄超有意识地去找拥有这两样仪器的实验室。

在一个三维原子探针网课上，黄超结识授课老师、悉尼大学研究员Eason Chen（现为新加坡南洋理工大学助理教授）并与他主动交流，讨论攻读博士的机会。Eason此前在读博时就开始尝试搭建的低温三维原子探针平台，把“看见氢原子”做到了近原子尺度。

2022年，完成硕士学业后，黄超跨过半个地球，来到悉尼大学读博，由Julie Cairney教授、Eason及Ranming Niu博士共同指导。

博士第一年，他投入大量时间读文献、接受仪器培训。为了早一点拿到仪器使用权限，他和实验仪器工程师熟悉后，还偷偷请对方为自己“走后门”。

与此同时，他接手了一个原位变形课题。但此类实验常常聚焦于完全微观尺度的变化，和他所偏爱的联系微观组织与宏观力学行为的、“见微知著”式的研究有些冲突，所以他把这个兴趣转向原子尺度下的氢脆机理。

氢脆，是指金属材料在服役过程中很容易与氢相遇，氢原子在材料里扩散、聚集后，会让气体管道、汽车零部件、螺栓等发生断裂。

进入金属的氢主要有两种存在形式：一是晶格中的固溶氢，二是被“氢陷阱”捕获的氢。其中，陷阱又分强陷阱、弱陷阱，前者牢牢束缚氢，后者只能短暂留住氢。传统实验只能测出材料中一共有多少氢，却分不清它们被谁捕获。

黄超向导师说出了自己的研究目标：确认不同氢陷阱的捕氢能力。

Eason和Julie起初并不乐观，提前给他“打预防针”：“这个实验可能做不出来”。但他们尊重学生的想法，支持他试一试。

博一学年结束时的组会上，Julie说：“Chao是我学术生涯里极少见的第一年就很清楚自己要做什么并且做得很好的博士生。”

黄超很开心，也有点心虚：“鼓励与肯定可以让人高兴，却不能让人停下来。继续往前走，才有机会成为更好的自己。”

▲黄超的这张“摆拍”照片，复刻了杨振宁先生的一张老照片。他的手上还戴着王虹同款戒指。二人都是黄超的学术榜样——专注研究，也始终对科学之外的世界保持好奇。

抓住会“逃跑”的氢

博二开始，黄超正式投入新课题。

要评价某一种缺陷的捕氢强度，首先要把不同状态的氢分开。他把突破口放在“真空脱附”上，对比不同真空脱附时间后的氢含量和力学性能。他发现，被强陷阱捕获的氢能够在真空中长时间保留，而固溶氢和弱陷阱中的氢则会优先释放。结合三维原子探针分析，他进一步确定了微观缺陷的捕氢能力，以及它们对材料力学行为的影响。

这一工作使“氢陷阱强弱”不再只是一个笼统概念，而是能够通过实验被区分和评估。相关成果于2025年发表在国际金属材料领域顶级期刊Acta Materialia上。隔年，黄超凭借此文拿下Acta Student Award（Acta学生论文奖）。该奖项面向全球，是材料领域颇具分量的国际学生荣誉。

区分了氢陷阱，还有更为复杂的固溶氢问题等着他。固溶氢含量低、移动快，室温下就能迅速扩散，甚至在样品制备、转移和测试过程中就已经“逃走”；它也没有明显的微观结构可以充当“路标”。更麻烦的是，原子探针本身也存在背景氢信号。即便检测到了氢，也很难判断这些信号究竟来自材料内部，还是来自仪器噪声。

此外，在实验操作中，用液氮冷冻样品时，空气中的水汽一旦凝霜结冰，实验即告失败。光是把这套流程优化到稳定可重复，他就花了半年。样品还要经历多次低温转移，稍有失手就会掉落报废。

重重难关，正如导师此前预告的那样。为此，黄超熬过了很多个加班的夜晚和周末。最终，他用冷冻三维原子探针证实，在晶体结构相同的情况下，化学成分会显著改变材料对氢的亲和力。

为了尽可能排除缺陷捕获的干扰，导师们帮助他联系了国内的多个顶尖实验室开展合作，用正电子谱、透射电镜、离子辐照、模拟计算等手段逐一验证。

▲团队成员（左起）Eason、黄超、石荣建、申尚昆讨论并敲定了长达几十页的审稿意见回复。

2025年7月，研究团队用多种独立手段确定了固溶氢的存在位置，并证实晶体结构和化学环境都会影响固溶氢的行为。团队将这项工作整理之后，于2025年11月底投稿到Nature，经历了两轮审稿，于近日正式上线。

至此，黄超读博之初提出的研究问题不断完善：氢在材料中的不同状态，可以通过不同的稳定性、空间分布和能量特征逐步区分与观察。

▲黄超等发表在Nature的论文。

几十年研究一个问题

在黄超看来，在顶尖实验室读博，不仅可以使用前沿的仪器，也能接触到前沿的学术思考。

撰写研究背景时，他习惯从硕士阶段熟悉的合金设计、组织调控切入。导师们则引导他打开格局：氢脆相对小众，可以从氢经济、清洁能源的大背景落笔，引用政府报告和数据，再引出这项研究把领域往前推到了哪一步。

制作论文数据图表时，他最初只想呈现氢原子信号。导师们提醒他突出重点，清晰标出氢富集对应的缺陷，这样审稿人和读者更容易理解。

“我博士期间的成果在发表过程中，导师们手把手教了我很多。”他坦言，在投稿、与审稿人书面沟通等方面，自己仍需要更多历练。

▲黄超与课题组成员、朋友及科研同仁共同庆祝他的毕业。

今年6月博士毕业后，黄超留在组里做博士后，也期待前往新的实验室继续沉淀。

“博士毕业到找到教职之间的几年很关键，是学术独立期，甚至会奠定未来几十年的学术思想。我希望等我回国当老师时，也能带学生发表高水平的文章。”他对未来充满期待。

谈起学术思想，黄超向《中国科学报》分享，自己的“学术偶像”、中国科学院外籍院士刘锦川对他有着重要的学术启发。刘锦川几十年围绕材料脆化问题开展研究，他在20世纪80年代提出的提高材料抗力的方法，至今仍被沿用。

刘锦川的治学道路让黄超认识到，优秀的学者很少追着零散的热点跑。他们知道自己想挑战什么，通过回答一个个小问题，逐渐建起一个小领域。

这也成为黄超的科研追求。2024年，在刘锦川的退休仪式上，黄超曾与他有过短暂交流。由于硕士导师刘兴军与刘锦川的良师益友关系，这不是两人第一次见面，刘锦川还记得他。得知黄超在研究氢脆问题，他特意嘱咐：“虽然目前大家在氢脆机理方面已经取得了不少突破，但更重要的是思考如何真正解决这个问题，如何提高材料的抗氢脆能力，比如抑制氢引起的局部应力集中和裂纹萌生。”

“加油，小伙子！”此后每遇困难，黄超总想起这句话。

▲黄超与刘锦川院士的合影。

在博士阶段，黄超的5篇文章均围绕氢脆的表征与机理展开。博士毕业论文要求完成3个章节，他则超额写了6个，把“氢的捕获与脆化行为”讲成了一个完整的故事。未来，黄超期待将机理转化为描述氢扩散、捕获和释放的物理参数，建立从微观组织到氢行为、到宏观性能之间的联系，设计抗氢脆的材料。

黄超在着眼当下的同时，总是会望向一个明确的远处。用他的话说：“虽然很遥远，然行则将至。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-026-11238-4

文中图片均由受访者提供