中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心與上海交通大學的研究人員，通過大量精細實驗并結合模擬計算發(fā)現，當晶粒尺寸降低到幾納米時，純金屬銅多晶體會形成一種新型亞穩(wěn)結構——受限晶體結構。相關研究成果近日發(fā)表于《科學》。
金屬通常以多晶體形式存在，即許多金屬原子按一定規(guī)則整齊排列在一起形成一個有序區(qū)域，稱為晶粒。晶粒尺寸越小，晶界上原子就比較多，多晶體的穩(wěn)定性就越差。對于某些金屬合金，當晶粒尺寸減小到足夠小時(通常為幾納米)，整個多晶體結構會失穩(wěn)，形成一種亞穩(wěn)的非晶態(tài)固體，它在受熱或力的作用下會進一步向更穩(wěn)定的晶體轉變。
論文第一作者、中國科學院金屬研究所研究員李秀艷介紹，非晶固態(tài)只在有限的合金成分范圍內才能形成，對于絕大多數合金和純金屬，無論晶粒多么細小也無法形成非晶固態(tài)。那么，在多晶體晶粒尺寸不斷減小接近某極限值(如原子尺寸)前是否存在別的亞穩(wěn)態(tài)結構？
此次研究團隊發(fā)現的這種新型亞穩(wěn)結構——受限晶體結構，具有極小界面的三維結構，表現出極高的熱穩(wěn)定性和力學穩(wěn)定性，在純銅的熔點以下不發(fā)生晶粒長大，其強度接近理論強度。這一發(fā)現表明除非晶固態(tài)外，多晶體金屬在晶粒極細時還存在另外一種亞穩(wěn)固體狀態(tài)，其穩(wěn)定性甚至遠高于非晶固體。
研究人員利用兩步低溫塑性變形技術，成功地將純銅薄片的晶粒尺寸降低到10納米以下。他們在顯微結構下觀察發(fā)現，這種極細的多晶體中呈現出典型的類似水油不互溶雙連續(xù)相中常見的流形結構。經系統表征納米晶粒的尺寸、形態(tài)、取向及分布等，他們發(fā)現，許多極小晶粒具有規(guī)則的Kelvin截角八面體形態(tài)，并且存在相當數量的低能界面。結合這些結構特征和分子動力學模擬計算，研究人員發(fā)現這種極細晶粒之間的界面具有一種極小界面結構特征，這種被稱為Schwarz-D的界面的平均曲率為零，結構穩(wěn)定性很強。同時，極細晶粒中大量低能孿晶界又進一步約束了這種極小界面，使其穩(wěn)定性更高。
李秀艷表示，受限晶體結構的發(fā)現為探索固態(tài)物質結構基本特征及其新性能開辟了全新空間，也為研發(fā)高穩(wěn)定性金屬材料及制造工藝提供了新的機遇。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.abe1267
