围绕制约高性能金属材料的重大瓶颈问题，开展多尺度纳米结构金属材料的强韧化基础研究。重点研究领域包括：多尺度纳米结构金属材料的结构设计、结构形成与演化及制备技术、多尺度纳米结构金属材料的综合力学性能、疲劳以及断裂行为、尺度纳米金属材料的塑性变形与疲劳、断裂机制等。
1）首次观察到纳米金属在室温下具有超塑延展性，被两院院士评为“2000年中国十大科技进展新闻”之一(Science, 2000)；
2）提出利用纳米尺寸的生长孪晶强化金属的新途径以实现超高强度和高导电性，这种超高强度和高导电性的同时获得是过去在任何材料中均无法实现的(Science, 2004)；
3）提出利用纳米尺度共格孪晶界既能有效阻碍位错运动又能够吸纳大量位错的特点，为获得超高强度高塑性强韧化材料的研制开辟了新领域（Science 2004）；
4）提出利用共格孪晶界独特的稳定界面结构可以获得具有超细特征尺寸的纳米结构金属，并发现极值强度的出现（Science/Nature 2009，2010），“纳米孪晶铜极值强度的形成机制”获2009年中国基础研究十大新闻；
5）发现纳米孪晶金属与疲劳历史无关的稳定循环响应特征及纳米结构构筑实现疲劳强度和疲劳寿命的同步提高（Nature, 2017）；
6）首次制备出双梯度纳米孪晶铜材料，发现双梯度纳米结构金属的额外强化与加工硬化(Science, 2018)；
7）在高熵合金中获得梯度纳米位错胞结构，发现梯度位错胞结构不仅显著提高材料屈服强度还使其保持良好的加工硬化 （Science，2021））
迄今在国际一流学术刊物上发表SCI论文120余篇（其中Science 6篇，Nature 2篇，Acta Materilia 23篇)，中国发明专利10项，国际发明专利6项，70余次国际学术会议大会报告或特邀报告，论文被SCI引用18000余次，单篇最高引用3280次。
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