犹他大学的保罗·加布里埃尔森 应变下3纳米晶粒镍的模拟
彩色线条表示部分或全部晶粒错位
学分:犹他大学 你看不到它们，但是你周围的大多数金属——硬币、银器，甚至支撑建筑物和立交桥的钢梁——都是由微小的金属颗粒组成的
在足够强大的显微镜下，你可以看到看起来像花岗岩台面的连锁晶体
材料科学家早就知道，在某种程度上，构成金属的颗粒越小，金属就越坚固
如果颗粒直径小于10纳米，材料就会变弱，因为人们认为，它们会像沙丘上的沙子一样相互滑过
金属的强度是有限度的
但由前犹他大学博士后学者周小玲(现为普林斯顿大学地质学副教授)和中国上海高压科学技术高级研究中心的陈彬领导的实验表明，情况并非总是如此——在粒径小至3纳米的镍样品中，在高压下，样品的强度随着粒径的减小而继续增加
周和宫城说，其结果是对金属颗粒中的单个原子如何相互作用的新认识，以及利用这些物理原理获得超强金属的一种方法
他们与加州大学伯克利分校和中国大学的同事进行的这项研究发表在《自然》杂志上
“我们的结果表明了制造超强金属的一种可能策略，”周说
“过去，研究人员认为最强的晶粒尺寸在10-15纳米左右
但是现在我们发现我们可以在10纳米以下制造更强的金属
" 穿过霍尔-佩奇 宫城说，对于大多数金属物品来说，金属颗粒的大小在几微米到几百微米的数量级——大约是一根头发的直径
“高端餐具通常会有更精细、更均匀的纹理结构，这可以让你获得更好的边缘，”他说
先前所理解的金属强度和晶粒尺寸之间的关系被称为霍尔-佩奇关系
根据霍尔-佩奇的说法，金属强度随着晶粒尺寸的减小而增加，下降到10-15纳米的极限
这是一个直径只有四到六股的脱氧核糖核酸
低于这个限度的颗粒尺寸就没有那么坚固了
因此，为了最大限度地提高强度，冶金学家将把目标放在最小的有效晶粒尺寸上
“细化晶粒是提高强度的好方法，”周说
“因此，在过去，发现这种晶粒尺寸细化方法在临界晶粒尺寸以下不再有效是非常令人沮丧的
" 对低于10纳米的弱化的解释与颗粒表面相互作用的方式有关
宫城说，颗粒表面的原子结构与内部不同
只要金属颗粒通过摩擦力结合在一起，金属就会保持强度
但是人们认为，在小颗粒尺寸时，颗粒会在张力下简单地相互滑过，导致金属变弱
然而，之前的技术限制阻碍了对纳米颗粒的直接实验，限制了对纳米颗粒行为的理解，以及是否还有低于霍尔-佩奇极限的未开发强度
“所以我们设计了我们的研究来测量纳米金属的强度，”周说
压力下 研究人员测试了镍的样品，镍是一种可以在小到3纳米的纳米粒度范围内获得的材料
他们的实验包括将各种粒度的样品放在金刚石砧座的高压下，用x光衍射观察每个样品在纳米尺度上发生了什么
宫城说:“如果你曾经玩过弹簧，你可能已经把它拉得够紧，把它弄坏了，所以它不能做它应该做的事情。”
“这基本上就是我们在这里测量的；我们可以多用力地推动这块镍，直到它变形超过它能够恢复的程度
" 强度继续增加，一直下降到可用的最小晶粒尺寸
3纳米的样品承受4
2吉帕斯卡(大约相当于10万磅的力
大象在不可逆转地变形之前，在一只高跟鞋上保持平衡)
这比商业级粒度的镍强十倍
宫城说，并不是霍尔-佩奇关系破裂，而是在实验条件下颗粒相互作用的方式不同
高压可能克服了谷物滑动效应
“如果你用力将两个晶粒推在一起，”他说，“它们很难滑过彼此，因为晶粒之间的摩擦力变大了，你可以抑制这些晶界滑动机制，这些机制是导致这种弱化的原因。”
" 当晶粒尺寸小于20纳米时，晶界滑动受到抑制，研究人员观察到一种新的原子尺度变形机制，这种机制导致最细晶粒样品的极端强化
超强的可能性 周说，这项研究的一个进展是他们以一种前所未有的方式在纳米尺度上测量材料强度的方法
宫城说，另一个进步是一种思考强化金属的新方法——通过改造金属的颗粒表面来抑制颗粒滑动
“在工业上，我们没有多少压力像这些实验中那样高的应用，但通过表明压力是抑制晶界变形的一种方法，我们可以考虑其他策略来抑制它，也许可以使用复杂的微观结构，在这些结构中，晶粒形状可以抑制晶粒之间的滑动
"
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