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纳米人 · 公众号 · 科技创业科技自媒体 · 2024-10-06 09:29

正文

编辑总结

确定材料变形的具体机制对于更好的工程设计至关重要，但某些过程，例如晶粒的刚体旋转机制，一直难以孤立研究。本文利用四维透射电子显微镜研究了铂薄膜中纳米晶粒旋转的机制。作者识别出一种主要的旋转机制，并发现旋转与晶粒生长或收缩之间存在相关性。这些观察结果将帮助我们更好地理解各种材料的机械特性。——Brent Grocholski

研究背景

随着纳米晶材料的广泛应用，微观结构的演化过程，特别是晶粒的旋转现象，引起了越来越多科学家的关注。晶粒旋转是多晶材料在再结晶、塑性变形和晶粒生长等过程中普遍观察到的现象。这种近刚体旋转对于微观结构演化的影响显著，尤其是它对晶粒生长动力学和织构演化的调控作用。因此，深入研究晶粒旋转的机制对优化材料的性能和设计新材料至关重要。

尽管已有大量研究探讨晶粒旋转的相关机制，但其背后的主导机制仍然存在争议。传统上，晶粒旋转被解释为晶界（GB）介导的多种过程，如晶界位错爬升、晶界扩散、晶界滑移、缺位二极管动力学和剪切耦合的晶界迁移等。然而，这些机制在不同条件下的主导作用并不明确，尤其是在高角度晶界的情况下。对于低角度晶界，晶界位错爬升可以有效解释晶粒旋转，但在更常见的高角度晶界中，晶界位错并不明显。此外，长距离的质量传输在晶界扩散模型中被认为是限制因素，这使得该模型不适用于室温下观察到的快速晶粒旋转现象。因此，如何在缺乏明确实验证据的情况下，建立不连续性运动与晶粒旋转之间的定量关联成为当前研究的一个重要挑战。

为此，美国加州大学尔湾分校潘晓晴教授、香港大学David J. Srolovitz和香港城市大学韩健教授等人合作在“Scienc”期刊上发表了题为“Grain rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt thin films”的最新论文。他们采用多尺度原位扫描透射电子显微镜（STEM）的方法，深入研究了纳米晶薄膜中的晶粒旋转机制。通过原位高分辨率高角度环形暗场STEM（HAADF-STEM）成像，研究团队定量关联了每个晶界迁移事件与不连续性运动之间的关系，揭示了不连续性在晶粒旋转中的关键作用。同时，采用原位四维STEM技术进行了微观结构尺度的观察，以验证晶粒旋转与晶粒生长或收缩之间的相关性。此外，团队还通过原子级模拟辅助解释实验观察结果。

研究亮点

1. 实验首次通过四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）研究了纳米晶薄膜中不连续性介导的晶粒旋转，得到了晶粒旋转与晶界迁移之间的定量关联。

2. 实验通过原位高角度环形暗场STEM（HAADF-STEM）成像技术，揭示了在毛细作用驱动的晶粒生长过程中，晶粒的近刚体旋转是通过晶界中的不连续性运动实现的。此外，观察到的结果表明，晶粒旋转与晶粒的生长或收缩之间存在统计相关性，这一相关性源自于剪切耦合的晶界迁移。

3. 实验结果显示，当不连续性在晶界上运动时，能够引起局部原子重组，这支持了不连续性在晶粒旋转中的关键作用。通过原子级模拟，进一步验证了晶界扩散和不连续性活动对晶粒旋转的影响。

4. 研究强调了在多晶体和纳米晶材料中，不连续性运动在微观结构演化过程中的重要性，为理解微观结构动态和晶界工程提供了新的见解。该研究的发现对未来新材料的设计和开发具有重要意义，包括合金和高熵合金。

图文解读

图1：同时进行的GB迁移和晶粒旋转的原位观察。

图2：断开运动和颗粒旋转的同步原子尺度观测。

图3. 晶粒同时生长和旋转的微观结构尺度观察。

总结展望

本文的研究揭示了在纳米晶材料中，近刚体晶粒旋转的机制主要是由晶界上的不连续性运动主导。这一发现为我们理解多晶材料在再结晶、塑性变形和晶粒生长过程中的微观结构演化提供了重要的定量依据。通过原位四维STEM技术，作者成功地在原子尺度上关联了晶界迁移事件与不连续性运动，从而揭示了晶粒旋转与晶粒生长或收缩之间的内在联系。这一研究不仅为传统的晶粒旋转机制提供了新的视角，也为优化材料设计和改善其力学性能提供了理论支持。此外，研究结果表明，剪切耦合的晶界迁移机制在多晶材料的微观结构演化中起着关键作用。由此可见，深入探讨晶界及其运动机制对于发展新型材料，特别是在高熵合金等复杂材料中的应用具有重要的启示意义。

文献信息：

Yuan Tian et al. ,Grain rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt thin films.Science386,49-54(2024).

DOI:10.1126/science.adk6384

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