重要突破！《Nature》晶界相變，開闢材料設計新道路！_風聞

眾所周知，絕大多數的固體金屬及其合金是由數十億個晶粒組成，它們被晶界隔開。晶界會導致材料變脆容易產生破裂，但是某些晶界能夠阻礙位錯運動進而增強材料性能。隨着現代研究的深入進行，研究者們發現晶界只有零點幾納米厚並具有獨特的結構，與相鄰的晶粒結構有很大區別。已有研究指出對於二元以上合金，晶界的結構會發生與晶粒相變無關的相變。這種晶界相變在純金屬中是否存在一直處於未知狀態，仍沒有研究直接觀察到純金屬中晶界的相變。

來自美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和德國馬普所的研究人員，研究了在超淨條件下沉積在藍寶石襯底上的銅薄膜中的晶界，直接觀察到純銅中的晶界相變，並發現了相似晶界中共存的兩種不同結構，為材料設計開闢了新的道路，有利於進一步研究晶界相變對異常晶粒長大及液態金屬脆化等現象。相關論文於以題“Observations of grain-boundary phase transformations in an elemental metal”發表在最新一期Nature雜誌上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2082-6

研究人員使用的銅薄膜是在超淨條件下沉積製備的，能夠排除雜質的任何潛在影響。通過掃描透射電子顯微鏡直接成像了薄膜樣品中原子列的位置。通過圖像切實的觀察到了晶界中的兩個共存相，並命名為多米諾相和珍珠相（Dominos and pearls）。

圖1 銅薄膜的EBSD表徵

圖2 多米諾相和珍珠相（標尺為1nm）

然而，僅此觀察並不能完全證明晶界的相變，因為兩相中的一相可能處於高度不穩定的狀態，該狀態可能在銅膜沉積過程中形成，並在冷卻時保留在固態膜中。因此，研究人員使用進化算法在晶界原子的計算機模擬中獲得了進一步證明，模擬的晶界與實驗觀察到的晶界具有相同的幾何形狀。模擬結果表明，珍珠相對應於晶界的最低能態，而多米諾相則處於亞穩態；當垂直於晶界施加應力時，亞穩態的多米諾相更穩定。

圖3 晶界相結構的預測

圖4 有限温度的晶界相變模擬

本研究清楚地證明了在純金屬晶界中會發生相變，從而為材料設計開闢了新的道路。塊狀金屬呈現的變體通常是有限的，但晶界結構及其可能的亞穩態變體的種類基本上是無限的。因此，可以設想一種加工技術，它通過產生不同晶界相(穩態或亞穩態)來優化材料的整體性能，從而最大限度地發揮晶界的積極作用，同時將其負面影響降至最低。

例如，在鋁中控制晶界多型相，從而有效地阻止位錯滑移（機械強度最大化）並最小化電子散射（電阻率最小化），則所得金屬將成為“理想材料”，取代更昂貴的鋁基複合線。但是，真正在工程中實踐還需進一步研究，一方面不清楚如何設計產生所需晶界相的加工方法；另一方面，大量可能的晶界相將使得系統地確定多晶型相的性能變得困難。綜上所述，本研究是一種新的發現，使用高分辨率顯微技術和計算方法協同結合在晶界研究中作出了概念性突破。（文：破風）

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