由劳伦斯·伯克利国家实验室的朱莉·福纳奇里创作
示意图显示了在高纯钛中生成纳米孪晶结构的低温锻造工艺
学分:安迪·米纳尔/伯克利实验室 钛强度高、重量轻，拥有所有结构金属中最高的强度重量比
但是在处理它的同时保持强度和延展性的良好平衡——金属被拉出而不断裂的能力——是具有挑战性和昂贵的
因此，钛在特定行业被归入特殊用途
现在，正如最近发表在《科学》杂志上的一项研究报道的那样，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员发现了一条新的切实可行的前进道路
研究小组发现，他们可以使用一种叫做低温锻造的技术，在超低温下操作十亿分之一米(1纳米)的纯钛，生产出超强的“纳米孪晶”钛，而不牺牲其延展性
“这项研究是第一次有人在散装材料中产生纯纳米孪晶结构，”该研究的项目负责人、伯克利实验室纳米科学用户设施“分子铸造”国家电子中心主任安德鲁·米纳尔说
“有了纳米孪晶钛，我们不再需要在强度和延展性之间做出选择，而是可以同时实现两者
" 小规模的变化对属性的影响很大 金属的机械性能部分取决于它们的晶粒——形成材料内部结构的重复原子图案的微小单个晶体区域
晶粒间的边界，也就是图案变化的地方，通过阻止称为位错的缺陷移动并削弱材料的结构来强化金属
把谷物想象成街道，把谷物边界想象成阻止原子汽车通过的交通信号灯
" 强化金属的一种方法是简单地通过锻造来缩小其晶粒尺寸，以产生更多的边界——通过轧制或锤击在高温甚至室温下压缩材料
然而，这种类型的加工往往以牺牲延展性为代价——内部结构被破坏，容易断裂
较小的颗粒“街道”和“交通信号灯”的增加导致原子交通堆积并破坏材料
“材料的强度通常与内部颗粒的大小相关——越小越好，”同样是加州大学伯克利分校材料科学与工程教授的Minor说
但是高强度和延展性通常是相互排斥的特性
" 进入纳米双胞胎
纳米孪晶是一种特殊类型的原子排列，晶体结构中的微小边界对称排列，就像彼此的镜像
回到原子道路上，谷物“街道”上的交通信号灯变成了具有纳米孪晶结构的减速带，使原子更容易移动而不会积聚应力，同时保持更高的强度
伯克利实验室的分子铸造厂的科学家使用一种叫做电子反向散射衍射(EBSD)的电子显微镜技术来成像具有纳米孪晶结构的纯钛的结构
每种颜色代表颗粒的独特方向
薄带揭示了通过一种叫做低温锻造的工艺产生的纳米孪晶结构
学分:安迪·米纳尔/伯克利实验室 将双胞胎放入钛中 纳米孪晶材料并不新鲜
然而，制造它们通常需要昂贵的专门技术
这些技术适用于一组精选的金属，如铜，通常只用于制作薄膜
此外，大多数情况下，薄膜特性不会转化为块状材料
为了制造纳米孪晶钛，研究小组使用了一种简单的技术——低温锻造——在超低温下操纵金属的结构
这项技术从一个非常纯净的立方体开始(超过99
95%)钛放入零下321华氏度的液氮中
当立方体被淹没时，压缩被施加到立方体的每个轴上
在这些条件下，材料的结构开始形成纳米孪晶界
该立方体随后被加热到750华氏度，以去除在双界面之间形成的任何结构缺陷
研究人员对新形成的材料进行了一系列压力测试，并使用分子铸造厂的电子显微镜来揭示其独特性能的来源
在这些测试中，他们发现纳米孪晶钛具有更好的可成形性，因为它既能形成新的纳米孪晶边界，又能消除先前形成的边界，这两者都有助于变形
他们在高达1112华氏度的极端温度下测试了这种材料，温度像流动的熔岩一样高，他们发现这种材料保持了它的结构和性能，证明了这种材料的多功能性
在超低温下，纳米孪晶钛比普通钛能够承受更大的应变，这与大多数金属通常的情况相反——在低温下，大多数材料变得更脆
这些纳米孪晶结构的大小和数量可以改变金属的特性
以钛为例，研究人员发现纳米孪晶使金属的强度增加了一倍，在室温下延展性增加了30%
在超低温下，这种改善更为显著——纳米孪晶钛能够在断裂前长度翻倍
纳米孪晶钛在相对较高的温度下也保持了其优异的性能，表明这些性能不仅在温和的旧金山湾区气候中会持续存在，而且在外层空间的极寒和喷气发动机的高热附近也会持续存在
使用低温锻造制造纳米孪晶钛具有潜在的成本效益，可用于商业生产，并且生产易于回收的产品
此外，正如Minor所说，“我们展示了钛中的纳米孪晶机制，但它很有可能在延展性受限的其他材料中发挥作用
“从这里开始，研究人员希望采用他们为钛开发的工艺，并确定它是否可以应用于其他金属
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