我科研團隊揭示納米尺度下晶粒幾何形狀與穩定性關系

你能想象嗎？在那些看似普通的金屬里，藏著一個由無數微小“積木”搭成的微觀世界。這些“積木”就是晶粒。

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心李秀艷團隊在研究純鉑的晶粒時，首次發現了納米尺度下 Kelvin 晶體的存在，并證實Schwarz晶體是一種比Kelvin晶體更穩定、更普遍的亞穩態結構，揭示了極小尺寸純鉑晶粒的幾何形狀與穩定性之間的密切關系，為納米多晶金屬材料的穩定性和設計提供了新的見解。

相關研究成果以《納米尺度上晶粒幾何形狀對多晶鉑穩定性的影響》為題，發表在《物理評論快報》上。該研究

科學家的Kelvin猜想，是設想了一種被截去頂角的八面體（截角八面體）形狀的晶粒搭成的多晶材料，就像按照完美圖紙搭好的積木城堡。長期以來，Kelvin猜想因其極小面條件及棱邊、頂點處表面張力平衡的特點，被認為是一種描述金屬中穩定晶粒堆垛的合理方案。基于該猜想構建的多晶材料結構，即Kelvin晶體，一直被視為金屬中唯一可能的穩定形狀。

然而，李秀艷團隊的研究挑戰了這一傳統認知。

他們就像一群微觀世界的“建筑師”，通過冷軋和低溫高壓扭轉這兩種特別的方法，將純鉑的平均晶粒尺寸細化至4納米和2～3納米的極小尺度。透射電子顯微鏡表征結果顯示，4納米樣品中的晶粒仍保持了銳利的邊界和棱角，呈現出典型的Kelvin晶體構型。這一發現首次在實驗上證實了納米尺度下Kelvin晶體的存在。

更為引人注目的是，當晶粒尺寸進一步細化至2～3納米時，樣品的晶界呈現出顯著的隨機流形結構特征，其晶粒堆垛方式及高密度孿晶網絡與先前報道的純銅中Schwarz晶體一致。這一發現表明，Schwarz晶體是一種在納米尺度下比Kelvin晶體更穩定、更普遍的亞穩態結構。

進一步研究揭示了兩種晶體結構在熱穩定性方面的顯著差異。Schwarz晶體由于其極小面的晶界與緊密排列的孿晶網絡相結合，能夠有效平衡晶格的各向異性和熱漲落帶來的驅動力，從而顯著提高了結構的穩定性。相比之下，Kelvin晶體在高溫或熱漲落被放大的情況下，由于其晶界能的各向異性，容易發生失穩。

該研究不僅證實了納米尺度下Kelvin晶體的存在，更重要的是揭示了Schwarz晶體作為一種更穩定、更普遍的亞穩態結構在納米多晶金屬材料中的重要性。這一發現對于理解晶粒幾何形狀及其晶界網絡在納米尺度上對穩定多晶金屬的作用具有重要意義，為納米金屬材料的設計和性能優化提供了新的思路。

該研究成果為納米金屬材料領域帶來了新的突破，有望推動相關領域的進一步發展。論文第一作者為金屬所助理研究員傅皇留，通訊作者為李秀艷和中國科學院院士盧柯。

相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.056101