金属材料的强化是材料领域的长期核心研究方向。目前金属材料传统的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。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。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，成为金属材料四大经典强化理论之外又一重要强化理论。目前纳米孪晶材料已成为当今国际材料领域的研究热点。

　　在国际上首次提出“金属材料表面纳米化”概念，并在多种金属及合金材料上得以成功实现。由于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，处理工艺简单、成本低、适用于绝大多数金属材料，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的研究热点。2011年卢柯院士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，这种梯度纳米结构的厚度可达数百微米。梯度纳米结构层使材料的拉伸屈服强度提高一倍，且其拉伸塑性变形能力优于粗晶铜。这种兼备高强度和高拉伸塑性的优异综合性能为发展高性能工程结构材料开辟了一条全新的道路，相关研究成果发表于Science周刊，被评为2011年度中国科学十大进展。目前金属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，其使用寿命提高2倍，并获得“2013年度产学研合作创新成果奖”。

　　在金属中发现超硬超高稳定性新型纳米层片结构。2013年卢柯院士团队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Science周刊。

　　基于金属所在金属纳米材料方面的优势地位，2014年金属所卢柯院士受邀为Science周刊撰写“梯度纳米材料”展望性文章。卢柯院士团队在金属纳米材料领域在Science、Nature等SCI刊物上共发表论文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，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”。