金属材料的强化是材料领域的长期核心研究方向。
目前，传统的金属材料强化技术均会使材料的塑性、韧性、导电性、热稳定性等显著下降。也就是说，金属材料强度—塑性/韧性/导电性等的“倒置”关系，限制了金属材料在更高水平和更广范围的应用，成为制约金属材料发展和应用的主要瓶颈。
因此，如何通过调控金属材料的微观组织结构和内部缺陷来提高材料的综合性能，已成为材料领域的重要发展方向。
中国科学院金属研究所卢柯院士团队十余年来持续开展纳米金属材料的制备、力学行为及其机理、应用探索等研究，提出金属材料的纳米孪晶强韧化机制，使其成为金属材料四大经典强化理论之外的又一重要强化理论。目前，纳米孪晶材料已成为当今国际材料领域的研究热点。
由于材料经过表面纳米化处理后，表面层中结构尺度由表及里呈梯度变化，消除了界面结合和表层剥落问题，再加之处理工艺简单、成本低、适用于绝大多数金属材料，因此，表面纳米化技术作为一种全新的材料表面工程技术，已成为世界各国众多科学家关注的焦点。
2011年，金属研究所卢柯团队在提高纳米金属的塑性和韧性方面取得重要突破。研究组发现，梯度纳米金属铜既具有极高的屈服强度，又具有很高的拉伸塑性变形能力。
梯度纳米结构是指晶粒尺寸在空间上呈梯度分布。卢柯研究团队利用表面机械碾磨处理，在纯铜棒材表面成功制备出梯度纳米结构，自表及里晶粒尺寸由十几纳米梯度增大至微米尺度，棒材芯部为粗晶结构（晶粒尺寸为几十微米），这种梯度纳米结构的厚度可达数百微米。梯度纳米结构层具有很高的拉伸屈服强度，室温拉伸实验表明，具有梯度纳米结构的表层在拉伸高达100%时仍保持完整未出现裂纹，表明其拉伸塑性变形能力明显优于粗晶铜。
这种优异的塑性变形能力源于梯度纳米结构独特的变形机制。微观结构研究表明，梯度纳米结构在拉伸过程中，其主导变形机制为机械驱动的晶界迁移，从而导致伴随的晶粒长大。此种变形机制与位错运动、孪生、晶界滑移或蠕变等传统的材料变形机制截然不同。
业内专家称，这种新技术的发展不但能够推动梯度纳米金属的基本性能研究，也对高性能梯度纳米表层材料的工业应用及材料表面工程技术的发展有重要促进作用。同时，这种兼备高强度和高拉伸塑性的优异综合性能极有可能为发展高性能工程结构材料开辟一条全新的道路。这一发现的相关研究成果发表于国际知名学术期刊《科学》，同时入选2011年度“中国科学十大进展”。
目前，金属研究所表面纳米化技术已在宝钢冷轧厂得到成功应用，对拉矫辊表面纳米化处理后，其使用寿命得以提高2倍，这一成果也获得2013年度“产学研合作创新成果奖”。
2013年，卢柯团队再接再厉，利用自行研发的新型塑性变形技术（表面机械碾磨处理），在金属镍表层成功突破了这一晶粒尺寸极限，获得纳米级厚度并具有小角晶界的层片结构，同时发现这种纳米层片结构兼具超高硬度和热稳定性。
这种新型超硬超高稳定性金属纳米结构突破了传统金属材料的强度—稳定性“倒置”关系，为开发新一代高综合性能纳米金属材料开辟了新途径。相关研究成果发表于《科学》杂志。
基于金属研究所在金属纳米材料方面的优势地位，2014年，卢柯院士受邀为《科学》杂志撰写“梯度纳米材料”展望性文章。卢柯团队在《科学》《自然》等国际知名学术刊物上共发表金属纳米材料领域论文450余篇，被SCI论文引用近20000次（90%以上为他引），单篇论文引用大于1000次。
2014年，金属研究所的两名学术带头人——卢柯、卢磊分别被汤森路透授予“最具国际引文影响力奖”和“高被引科学家奖”。■