佐治亚理工学院
佐治亚理工学院机械工程教授朱婷站在他的多晶金属的透射电子显微镜图像和模拟原子结构的图形前
鸣谢:乔治亚理工学院 工程中使用的金属材料必须坚固且具有延展性——能够承受高机械负荷，同时能够承受变形而不断裂
然而，一种材料是弱还是强，是韧还是脆，并不仅仅取决于构成材料的晶粒，而是取决于它们之间的晶界
尽管经过几十年的研究，晶界处原子级的变形过程仍然难以捉摸，制造新的更好材料的秘密也是如此
佐治亚理工学院的研究人员使用先进的显微镜技术，结合跟踪原子运动的新型计算机模拟，对称为多晶材料的多晶金属材料的晶界变形进行了实时原子级观察
该团队观察到了以前未被认识到的影响材料属性的过程，例如原子从一个平面跨越晶界跳到另一个平面
他们的工作发表在今年3月的《科学》杂志上，推动了原子级探测的极限，并使人们能够更深入地了解多晶材料如何变形
他们的工作为极端工程应用的新材料的智能设计开辟了新的途径
乔治W大学的朱婷教授说:“观察原子的一步一步的运动，然后利用这些信息来破译具有复杂结构的晶界的动态滑动过程，这是令人惊讶的。”
伍德鲁夫机械工程学院，该研究的主要作者之一，包括来自北京工业大学的合作者
为了开发新的更好的多晶材料，了解它们在原子水平上如何变形是至关重要的
该团队试图实现对晶界滑动的实时观察，这是一种众所周知的变形模式，在控制多晶材料的强度和延展性方面发挥着重要作用
他们选择使用铂，因为它的晶体结构与其他广泛使用的多晶材料相同，如钢、铜和铝
使用铂，他们的结果和见解将普遍适用于广泛的材料
电子显微镜揭示了晶界的滑动变形是如何在铂的多晶金属中一个原子一个原子地完成的
该图显示了两个相邻晶粒之间的晶界的原子结构，其中铂原子分别以黄色和粉红色着色
鸣谢:乔治亚理工学院 新方法的结合 进行这项实验需要几项关键的创新
该团队使用透射电子显微镜(TEM)捕捉晶界原子的高倍放大图像
透射电子显微镜通过一个薄膜状的铂样本发送电子束，该团队对其进行了处理，使其薄到足以进行电子传输
他们还开发了一种小型的毫米级测试设备，可以对样本施加机械力，并固定在显微镜上
TEM和设备协同工作，在变形过程中产生晶界的原子级图像
为了比仅仅通过观察TEM图像更清楚地观察原子尺度的晶界滑动，研究人员开发了一种自动原子跟踪方法
这种方法自动标记每个TEM图像中的每个原子，然后在图像之间关联它们，使得能够跟踪所有原子和它们在晶界滑动期间的运动
最后，研究小组使用从TEM图像中提取的原子结构进行了晶界滑动的计算机模拟
模拟滑动帮助团队分析和解释发生在原子尺度的事件
通过结合这些方法，他们能够实时观察单个原子如何在变形的晶界上移动
结果 众所周知，在多晶材料的变形过程中，晶界会发生滑动，而朱和他的团队所做的实时成像和分析揭示了丰富多样的原子过程，其中一些是以前未知的
他们注意到，在变形过程中，两个相邻的晶粒相互滑动，导致原子从晶界平面的一侧转移到另一侧
这个过程被称为原子平面转移，以前没有被认识到
他们还观察到，通过调整晶界结构，局部原子过程可以有效地容纳转移的原子，这有利于获得更高的延展性
图像分析和计算机模拟表明，在原子过程中，机械负荷很高，这有利于原子和原子平面的转移
他们的发现表明，设计细晶粒多晶体的晶界是使材料更坚固、更有韧性的重要策略
展望未来 朱和他的团队所展示的观察、跟踪和理解原子尺度晶界变形的能力为进一步研究多晶材料中的界面和失效机制提供了更多的研究机会
对原子级变形的更多了解可以告知材料在晶界工程中如何演变，这是创造优异的强度和延展性组合的必要条件
“我们现在正在扩展我们的方法，在更高的温度和变形率下可视化原子级变形，以寻求更好的极端应用材料，”该论文的另一位主要作者、北京工业大学教授韩小东说
朱认为，他们的实时原子级观测和成像的丰富数据结果可以与机器学习相结合，对材料变形进行更深入的研究，这可能会比以前想象的更快地发现和开发材料
“我们的工作显示了使用非常高分辨率的显微镜来了解原子级材料行为的重要性
这一进展将使研究人员能够利用原子设计来定制具有最佳性能的材料，”朱说
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