研究領(lǐng)域、方向包括：1）探索并優(yōu)化材料、尤其是微納尺度材料的結(jié)構(gòu)與性能；2）應(yīng)用和發(fā)展與之相配套的先進(jìn)制備、測(cè)試與表征技術(shù)；3）以原位、動(dòng)態(tài)、定量為主要特征的優(yōu)異技術(shù)和設(shè)備為主要研究手段，結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬，選擇典型材料為主要研究對(duì)象，通過和本領(lǐng)域以及相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遗c學(xué)者的有效合作，力求系統(tǒng)的建立起微納尺度材料結(jié)構(gòu)（成分，晶體結(jié)構(gòu)，缺陷，尺寸，樣品幾何，表面，界面等）與性能（力，電，熱及其耦合作用）間的定量關(guān)系，并為這些材料的最終應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和方法論的指導(dǎo)。近年來的研究方向主要集中于應(yīng)用和發(fā)展定量的原位變形技術(shù)（壓痕/壓縮/彎曲/拉伸等）對(duì)目前材料研究中的一些焦點(diǎn)問題進(jìn)行探索。

　　國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金（200萬元），項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，2010-2012 　　國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目：微米金屬單晶的變形行為及晶體學(xué)與尺度效應(yīng)（180萬元），主要參加人 　　美國(guó)能源部：定量的原位透射電鏡拉伸裝置（一、二期）（85萬美金），項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，2007-2010 　　美國(guó)能源部：定量的原位透射電鏡摩擦裝置（一、二期）（85萬美金），項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，　2007-2010

　　在包括《自然》，《科學(xué)》，《自然—材料》，《自然—通訊》，《物理評(píng)論快報(bào)》等國(guó)際頂級(jí)期刊上發(fā)表論文20余篇，SCI引用超過760余篇次，單篇SCI引用最高217篇次。其中2010年發(fā)表在《自然》和《自然—通訊》上的兩篇文章是單智偉教授回國(guó)后發(fā)表的前兩篇文章；組織和共同組織了7次國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)，擔(dān)任6次國(guó)際會(huì)議分會(huì)主席；做或署名大會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告34個(gè)，大會(huì)普通報(bào)告36個(gè)，主持科研項(xiàng)目4項(xiàng)（包括美國(guó)兩項(xiàng)），作為研究骨干參加科研項(xiàng)目4項(xiàng)（包括美國(guó)兩項(xiàng)），創(chuàng)建和共同創(chuàng)建兩個(gè)國(guó)際研究中心；主持經(jīng)費(fèi)合計(jì)近6000萬元人民幣。以下為一些代表性工作的簡(jiǎn)介： 　　發(fā)現(xiàn)金屬變形孿晶的強(qiáng)烈晶體尺寸效應(yīng)（《自然》，第二作者，2010） 　　單智偉教授和同事們通過巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取六方晶體結(jié)構(gòu)的鈦-5%鋁合金單晶中以孿晶變形為主導(dǎo)塑性變形方式的晶體取向，運(yùn)用納米力學(xué)測(cè)試儀有針對(duì)性地研究了孿晶變形在微小尺度材料中的行為規(guī)律和機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外觀幾何尺度減小到微米量級(jí)時(shí)，與相應(yīng)宏觀塊體材料相同，材料的塑性變形仍以孿晶切變?yōu)橹�，但其能夠承受的最大流變�?yīng)力表現(xiàn)出很強(qiáng)的尺度依賴性（最高達(dá)到宏觀值的8倍左右）。分析表明，其實(shí)驗(yàn)測(cè)定的Hall-Petch關(guān)系的冪指數(shù)接近于1（遠(yuǎn)高于多晶的0.5）。更為令人驚奇的是，當(dāng)晶體的外部幾何尺度進(jìn)一步減小到1微米以下時(shí)（遠(yuǎn)大于多晶納米材料強(qiáng)度極值對(duì)應(yīng)的20納米），孿晶變形被位錯(cuò)滑移變形完全取代。同時(shí)，Hall-Petch冪律關(guān)系不再適用：材料所能承受的最大流變應(yīng)力轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)出一種接近于所用材料理論強(qiáng)度水平的“應(yīng)力飽和”現(xiàn)象。由此，文中提出了以螺位錯(cuò)為媒介的孿晶變形“受激滑移”模型，得到Hall-Petch冪律指數(shù)的理論值為1，與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。并且由于僅有小部分（1%左右）的位錯(cuò)可以作為極軸，而晶體尺寸愈小，就愈難于利用螺型位錯(cuò)的極軸作用將兩個(gè)相鄰的滑移面有效地耦合在一起而形成孿晶，從而完美地解釋了孿晶變形具有強(qiáng)烈的晶體尺寸效應(yīng)和“尺寸愈小、強(qiáng)度愈高”的內(nèi)在原因。 　　由于試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的臨界轉(zhuǎn)變尺度是在工程上很容易實(shí)現(xiàn)的微米向亞微米過渡的范圍，因此，此項(xiàng)研究結(jié)果不僅對(duì)于系統(tǒng)認(rèn)識(shí)微小尺度材料的力學(xué)行為有著十分重要的作用，而且對(duì)于微電子元器件與微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）所用材料的性能表征評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)、特別是利用其強(qiáng)度的強(qiáng)烈晶體尺度效應(yīng)進(jìn)行微納加工等具有重要的指導(dǎo)意義。該項(xiàng)工作發(fā)表在2010年1月出版的《自然》雜志上。 　　該項(xiàng)工作的重要意義還在于：它是單智偉教授以西安交大為第一作者單位發(fā)表的第一篇文章，也是西安交通大學(xué)的第一篇以第一作者單位發(fā)表在《自然》雜志上的文章。 　　發(fā)現(xiàn)高能電子可導(dǎo)致玻璃態(tài)二氧化硅小球的室溫超塑性（《自然通訊》，通訊作者，2010） 　　在單智偉教授與其它同事合作指導(dǎo)下，單智偉教授的博士生汪承材利用金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微納尺度材料行為研究中心和Hysitron中國(guó)應(yīng)用研究中心的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了高能電子對(duì)亞微米尺度玻璃態(tài)SiO2球體力學(xué)行為的影響。試驗(yàn)中令人驚訝地發(fā)現(xiàn)即使是低強(qiáng)度的電子輻照也可以急劇的地提高玻璃態(tài)SiO2球體在室溫附近的塑性變形能力；而且，無電子輻照時(shí)玻璃態(tài)SiO2球的流變應(yīng)力遠(yuǎn)大于有電子輻照時(shí)的流變應(yīng)力，差別達(dá)4倍之多。這是人們首次定量的研究高能電子對(duì)材料力學(xué)性能的影響。與此同時(shí)，北京工業(yè)大學(xué)張澤院士、韓曉東教授課題組的原位透射電鏡拉伸試驗(yàn)表明，高能電子輻照下玻璃態(tài)SiO2納米線可呈現(xiàn)超塑性，均勻延伸率可超過200%。為了揭示電子束促進(jìn)塑性變形的微觀機(jī)制，美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)馬恩教授課題組采用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)SiO2納米線的變形過程進(jìn)行模擬。分析表明，高能電子可使玻璃態(tài)SiO2產(chǎn)生很多結(jié)構(gòu)缺陷和價(jià)鍵缺陷，如懸空鍵等。這些缺陷將會(huì)促進(jìn)不同Si-O鍵之間的原子互換，從而使得塑性的載體，即原子團(tuán)簇的轉(zhuǎn)動(dòng)和遷移成為可能；同時(shí)，納米材料超小的體積使得玻璃態(tài)SiO2的流變應(yīng)力大到足以滿足原子鍵互換和團(tuán)簇遷移所需的應(yīng)力；相應(yīng)的理論計(jì)算進(jìn)一步確認(rèn)了在上述試驗(yàn)過程中電子束引起的溫度升高很小。這些研究成果的重要意義在于它將會(huì)對(duì)該類材料在微納尺度上的加工和集成產(chǎn)生重要的指導(dǎo)意義，從而為脆性材料，如氧化物玻璃的應(yīng)用開辟出嶄新的途徑。同時(shí)也拓寬了電子束這一常規(guī)材料表征工具在材料加工方面的應(yīng)用。該項(xiàng)工作發(fā)表于6月1日在線出版的《自然—通訊》雜志上（Nature Communications, 10.1038/ncomms1021）。單智偉教授的博士生為并列第一作者，單智偉教授為并列通訊作者。 　　該項(xiàng)工作的重要意義還在于：它是單智偉教授2010年發(fā)表在《自然》系列雜志上的第二篇文章，是西安交通大學(xué)的第二篇《自然》系列文章，同時(shí)也是單智偉教授以通訊作者身份在西安交通大學(xué)發(fā)表的第一篇文章。 　　在亞微米尺度的單晶鎳中發(fā)現(xiàn)了機(jī)械退火和反常硬化現(xiàn)象，從而令人信服地驗(yàn)證了此前備受爭(zhēng)議的位錯(cuò)匱乏機(jī)制（《自然材料》，第一作者，2008） 　　采用聚焦離子束加工亞微米金屬試樣，并結(jié)合定量原位透射電鏡下變形方法，發(fā)現(xiàn)a）用聚焦離子束制備的亞微米單晶鎳圓柱體中包含有高密度位錯(cuò)。在外界應(yīng)力的作用下，這些亞微米晶體中的位錯(cuò)密度會(huì)劇烈下降，甚至形成一個(gè)無位錯(cuò)的完美晶體。b）不同于傳統(tǒng)的應(yīng)變硬化，亞微米晶體中的應(yīng)變硬化來自于位錯(cuò)或位錯(cuò)源的匱乏。這些發(fā)現(xiàn)的重要意義在于她不僅揭示了微納米尺度面心立方金屬奇特力學(xué)行為的內(nèi)在原因，而且用令人信服的實(shí)驗(yàn)明證了由斯坦福大學(xué)WilliamsNix研究團(tuán)隊(duì)所提出的，但此前飽受爭(zhēng)議的微尺度金屬變形的位錯(cuò)匱乏假說。以上結(jié)果以第一作者身份發(fā)表在2008年二月的《自然·材料》雜志上（Shan Zhiwei, et al. Nature Materials, 7: 115-119,2008）。同期發(fā)表的約翰霍普金斯大學(xué)Hemker教授和斯坦福大學(xué)Nix（WD.Nix美國(guó)三院院士，材料力學(xué)行為國(guó)際權(quán)威學(xué)者）教授的評(píng)論文章給予該工作高度評(píng)價(jià)：“該工作為解釋微尺度單晶強(qiáng)度尺度效應(yīng)的”位錯(cuò)匱乏理論“提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并且這種直接觀察的方法為理解納米尺度的材料復(fù)雜行為提供了亟需的清晰圖象�！保℉emker KJ, Nix WD. Nature Materials.7:97-98,2008）。該工作已被包括發(fā)表在《自然》、《科學(xué)》等頂級(jí)刊物上的文章引用超過93次。 　　發(fā)現(xiàn)納米晶的空心硫化鎘球體不僅能夠支撐理論強(qiáng)度的應(yīng)力，而且具有相當(dāng)大的變形能力（《自然材料》，第一作者，2008） 　　納米晶材料具有極高的強(qiáng)度和硬度，但是其塑性卻近似于脆性材料。為了提高納米晶材料的塑性，研究人員進(jìn)行了不懈的努力并提出了諸多的解決方案。這些方案可歸為兩大類：應(yīng)變硬化和應(yīng)變速率硬化。但是，這些努力不可避免的要以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)。受到空間結(jié)構(gòu)材料的啟發(fā)，單智偉教授提出把納米材料合成為一定的空間結(jié)構(gòu)將可能得到同時(shí)具有高強(qiáng)度和大變形能力的材料�；�于這種想法，單智偉教授選取球殼由納米晶組成的硫化鎘空心球?yàn)檠芯繉?duì)象，通過原位透射電鏡下力學(xué)性能測(cè)試并結(jié)合有限元分析對(duì)納米晶硫化鎘構(gòu)成的中空的納米球的力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明該種結(jié)構(gòu)具有極高的強(qiáng)度和良好的變形能力。同時(shí)，基于本研究所開發(fā)出來的試驗(yàn)技術(shù)使的定量、直接、高效地測(cè)量納米粒子的力學(xué)性能成為可能。上述工作以全文（Article）的形式發(fā)表在2008年12月的《自然材料》雜志上。單智偉教授為第一作者。 　　證明可以通過合適試驗(yàn)設(shè)計(jì)撲捉到納米晶中的位錯(cuò)動(dòng)態(tài)行為（《物理評(píng)論快報(bào)》，第一作者，2007） 　　通過采取一種拉伸誘發(fā)變形，保持載荷并于不同時(shí)間在同一區(qū)域內(nèi)拍攝高分辨透射電子顯微像的方法，成功地觀察到了納米晶中位錯(cuò)的動(dòng)態(tài)變形行為。本工作不僅驗(yàn)證了關(guān)于應(yīng)力可以使位錯(cuò)在納米晶中穩(wěn)定存在的猜測(cè)，并且推翻了此前分子動(dòng)力學(xué)模擬關(guān)于納米晶中位錯(cuò)動(dòng)態(tài)行為無法通過真實(shí)的試驗(yàn)來觀察的論斷。 　　實(shí)驗(yàn)證明了目前關(guān)于材料初始塑性的一些公認(rèn)假說可能是不精確的、甚至是錯(cuò)誤的（自然材料，第三作者，2006） 　　利用定量的原位透射電鏡變形技術(shù)，發(fā)現(xiàn)a）噪音級(jí)別的力即可讓位錯(cuò)在完美晶體中成核；b）包含高密度位錯(cuò)的鋁晶�？芍�撐理論強(qiáng)度的剪切應(yīng)力（~2.2GPa）。這些發(fā)現(xiàn)的重要意義在于它用令人信服的實(shí)驗(yàn)證明了目前公認(rèn)的一些假說，即：i）在納米壓痕試驗(yàn)中，第一次顯著的位移／力突變對(duì)應(yīng)于材料的初始塑性變形；ii）只有完美晶體才能支撐理論剪切的應(yīng)力這兩種假說是不精確的，甚至是錯(cuò)誤的。以上結(jié)果以第三作者身份發(fā)表在2006年的《Nature Materials》雜志上。 　　LBL（Lawrence Berkeley National Laboratory）作為頭條研究新聞進(jìn)行了報(bào)道。同時(shí)，美國(guó)科學(xué)雜志網(wǎng)絡(luò)版科技新聞以How Nanocrystals Crumple: “New Window into Deformation of Nanoscale Materials為題對(duì)該工作進(jìn)行了報(bào)道并給予高度評(píng)價(jià)。 　　確證了晶界主導(dǎo)的塑性可成為納米金屬晶體一種顯著的變形機(jī)制（《科學(xué)》，第一作者，2004） 　　晶體材料的塑性行為通常主要由晶格位錯(cuò)的成核和運(yùn)動(dòng)來控制。通過創(chuàng)造性利用原位透射電鏡拉伸技術(shù)和暗場(chǎng)成像相結(jié)合的方法，單智偉教授對(duì)平均晶粒尺寸為10納米的納米晶鎳的變形機(jī)制進(jìn)行了研究。結(jié)果證明晶界主導(dǎo)的塑性在該晶體變形過程中已成為一種顯著的變形方式。而且，在變形后的單個(gè)晶粒中發(fā)現(xiàn)了晶格位錯(cuò)的存在。分析表明這種變形方式的變化源于下述兩種機(jī)制之間的競(jìng)爭(zhēng)：位錯(cuò)的成核和運(yùn)動(dòng)以及擴(kuò)散輔助的晶界變形過程。本工作從實(shí)驗(yàn)上為理論和計(jì)算機(jī)模擬所預(yù)測(cè)的隨著晶粒尺寸減小，納米晶金屬存在一個(gè)峰值強(qiáng)度這一現(xiàn)象提供了有力的證據(jù)；并為理論研究和分子動(dòng)力學(xué)模擬提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。 　　該工作得到美國(guó)Science雜志兩位評(píng)審人的高度評(píng)價(jià)。一位評(píng)審人寫道：”就揭示晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)而言，該工作是目前最好的“，”這是一流的研究工作，值得Science發(fā)表“。另一個(gè)評(píng)論道：”這項(xiàng)工作是新穎的，出人意料的，對(duì)納米結(jié)構(gòu)金屬領(lǐng)域而言是很重要的發(fā)現(xiàn)“。 　　Science編輯部在發(fā)表該文的同時(shí)，還在同一期的”Perspectives“欄目上刊登了國(guó)際知名學(xué)者、美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)終身教授馬恩博士對(duì)該工作的專門評(píng)價(jià)文章（Science News, ”Watching the Nanograins Roll“， by E. Ma, Vol. 305, 30 July 2004, P. 623-624）。馬恩博士指出，”分子動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)測(cè)當(dāng)晶粒尺寸減小到10個(gè)納米左右時(shí)，晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制將會(huì)啟動(dòng)并可能主導(dǎo)變形過程。盡管許多年來人們都在尋找這樣的證據(jù)，令人信服的直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)卻一直沒有找到。“”運(yùn)用原位暗場(chǎng)透射電鏡技術(shù)，作者們記錄了在變形過程中鄰近的晶粒通過頻繁的轉(zhuǎn)動(dòng)形成大的晶粒團(tuán)聚物的過程“。論文主要結(jié)果在同期的”Perspectives“和”This Week in SCIENCE“兩個(gè)欄目被進(jìn)一步介紹。同時(shí)Materials today和LBL（Lawrence Berkeley National Laboratory）均作為頭條研究新聞進(jìn)行了報(bào)道。該論文已經(jīng)被SCI引用超過213篇次。

2018年1月8日，單智偉憑借參與的金屬材料強(qiáng)韌化的內(nèi)在與外在微納尺寸效應(yīng)項(xiàng)目獲得2017年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。