他，电镜专家，最新Science，第8篇正刊！

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-10-04 07:49

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今天小编给大家介绍的是加州大学尔湾分校的潘晓晴教授。潘教授是国际知名的材料科学家和电子显微镜专家，因其创新开发和应用透射电子显微镜（TEM）技术，探测材料的原子尺度结构、性质及动态行为而备受推崇。他的研究推动了新材料和功能的发现，曾获得美国国家科学基金会职业奖和中国国家科学基金会杰出青年研究员奖。他已在《Nature》、《Science》等顶级期刊发表400余篇高引用论文，现任加州大学尔湾分校亨利·萨穆埃利工程讲座教授、材料科学与工程教授和物理与天文学教授，并担任尔湾材料研究所和复杂活性材料中心的创始主任。他的研究聚焦于多功能材料的合成与原子尺度表征，尤其是探索纳米工程材料的结构-性能关系及二维材料的原子级特性。

据小编不完全统计，潘晓晴教授课题组已发表7篇正刊，今日，潘晓晴教授联合香港大学David J. Srolovitz教授和香港城市大学韩健教授的最新研究成果再次登上《Science》，下面就让小编带大家一起来拜读一下这篇最新研究成果吧！

最新Science：纳米晶材料中的晶粒旋转机制：Pt 薄膜中的多尺度观察

多晶材料由具有不同晶格取向的微晶（晶粒）组成，这些晶粒在再结晶、塑性变形和晶粒生长过程中会发生近乎刚体的旋转。这种晶粒旋转对微观结构演化（如晶粒生长动力学和织构演化）有重要影响。晶粒旋转可由多种晶界机制介导，如晶界位错攀爬、晶界扩散、晶界滑动和剪切耦合晶界迁移等。然而，对于高角度晶界，哪种机制主导晶粒旋转仍有争议。尤其是剪切耦合晶界迁移，理论上能够通过晶界断线的成核和扩展解释高角度晶界的旋转，但实验上尚未确认断线运动与晶粒旋转的直接相关性。因此，揭示晶粒旋转的主导机制需要在多晶样品中定量关联晶界断开活动与晶粒旋转。

在此，美国加州大学尔湾分校潘晓晴教授联合香港大学David J. Srolovitz教授和香港城市大学韩健教授提出的直接证据表明，晶粒旋转是通过沿铂薄膜晶界的断开运动（具有阶梯和位错特征的线缺陷）发生的。最先进的原位四维扫描透射电子显微镜 (4D-STEM) 观察揭示了晶粒旋转与晶粒生长或收缩之间的统计相关性。这种相关性源自剪切耦合晶界迁移，这种迁移是通过断开运动发生的，正如原位高角度环形暗场 STEM 观测和原子模拟辅助分析所证明的那样。这些发现为纳米晶材料的结构动力学提供了定量见解。相关成果以“Grain rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt thin films”为题发表在最新一期《Science》上，第一作者为Yuan Tian。

中尺度：颗粒旋转和晶界迁移

作者研究了约10 nm厚的铂 (Pt) 纳米晶薄膜，通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜观察晶粒旋转与剪切耦合晶界迁移的关系。在600°C退火过程中，晶粒G1的旋转 (~3°) 伴随Σ11对称倾斜晶界 (STGB) 的剪切耦合迁移（图1C和D1-D3）。随着晶界迁移，晶界两侧原子发生相对位移，且位移比例与理论剪切耦合因子一致。这表明晶粒旋转是由剪切耦合晶界迁移引起的。此外，另一次观察显示更显著的晶粒旋转 (~8°)，同样与剪切耦合晶界迁移相关。作者的观察显示，晶粒旋转是由剪切耦合晶界迁移驱动的（图1D3），这一现象与嵌入圆形晶粒的双晶理论描述一致，但由于多晶中的晶界终止于三重结 (TJ)，位移场在TJ处变得更加复杂。

图1 晶界迁移和颗粒旋转同时发生的原位观测

原子尺度：晶粒旋转和断开运动

通过原子尺度观察和实验，作者揭示了晶粒旋转是由剪切耦合晶界迁移引发的，而这种迁移则通过断开运动实现。图1 D4-D6 展示了这一过程的详细步骤：晶界的一部分发生向左的台阶传播，带动了上部晶粒相对于下部晶粒的平移，从而导致旋转。这些观察验证了断开的存在，并通过原子位移场进一步证实了剪切耦合晶界迁移的机制（图1 D5-D6）。通过双晶分析和分子静力学模拟、作者预测了断开的Burgers矢量和步高，并与实验测量结果吻合。

图2进一步探讨了晶粒旋转的细节，展示了在非重合位点晶界（非CSL GB）和不对称晶界（Σ9 ATGB）中，断开滑移引发了局部晶粒的旋转。例如，分隔G2和G3的GB上同时存在I型和II型断开，I型断开平行于GB滑动，不会导致迁移，而II型断开则通过其台阶高度引发了晶界迁移，并最终导致G2的旋转（图2C-H）。在A4区域，我们观察到类似的现象，断开的可逆滑移导致晶粒逆时针和顺时针的旋转（图2 I-P）。

图 2. 同时发生的断开运动和颗粒旋转的原子尺度观察。

微观结构尺度：晶粒旋转和晶粒生长

作者通过开发原位 4D-STEM 技术，追踪了纳米晶Pt薄膜中2000个晶粒的演化，统计分析显示晶粒旋转与晶粒生长密切相关。退火过程中，晶粒生长和旋转相耦合，13.6%的晶粒表现出显著旋转（>2°/min），且快速旋转的晶粒通常伴随较高的生长速率（图3E-F）。通过对晶粒生长率和旋转速率的条件概率分析，作者首次揭示了这种相关性。进一步研究表明，旋转概率与晶粒尺寸和形状相关，较小且形状更圆的晶粒更容易旋转（图3G-H）。这种旋转现象与剪切耦合晶界迁移相关，证实了原子尺度上断开运动引发晶界迁移和晶粒旋转的普遍性。这表明晶粒生长和旋转主要由晶界介导，支持了先前关于断开机制的结论。

图3.同时晶粒生长和晶粒旋转的微观结构尺度观察

讨论

作者通过实验发现，纳米晶薄膜中的近刚体晶粒旋转主要由断开运动主导，其他机制如晶界扩散和滑动虽然存在，但不足以定量解释晶粒旋转的过程。断开运动类似于位错运动在晶体中的作用，它能够解释晶界处的原子重排及扩散（图2，K和O）。特别是，非CSL晶界上的II型断开通过断线爬升实现晶界扩散，进一步表明断开运动是晶粒旋转的核心机制。本工作表明，剪切耦合和断开传播与晶粒生长耦合，适用于无外应力、毛细作用驱动的旋转环境。尽管研究对象为薄膜，分子动力学模拟表明，该机制同样适用于块状材料，但块体中的三维晶界网络限制了晶粒旋转速率。此外，这一机制不仅适用于单元素系统，也适用于更复杂的合金材料，为新材料设计提供了重要见解。

小结

本文提供了多尺度的直接证据，表明纳米晶薄膜材料中的晶粒旋转是通过晶界上断开的传播实现的。通过原位加热4D-STEM的统计研究，作者发现晶粒旋转在晶粒生长过程中广泛发生，并与纳米晶材料中的晶界迁移紧密相关。原子尺度的原位HAADF-STEM观测进一步表明，晶粒旋转与晶界迁移的耦合源于断开运动，该运动导致沿晶界的剪切并驱动晶粒旋转。这些发现强调了断开在纳米晶材料微结构演化中的关键作用，为理解微结构动力学和晶界工程提供了新的见解。

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来源：高分子科学前沿

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