我科研团队揭示纳米尺度下晶粒几何形状与稳定性关系

你能想象吗？在那些看似普通的金属里，藏着一个由无数微小“积木”搭成的微观世界。这些“积木”就是晶粒。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心李秀艳团队在研究纯铂的晶粒时，首次发现了纳米尺度下 Kelvin 晶体的存在，并证实Schwarz晶体是一种比Kelvin晶体更稳定、更普遍的亚稳态结构，揭示了极小尺寸纯铂晶粒的几何形状与稳定性之间的密切关系，为纳米多晶金属材料的稳定性和设计提供了新的见解。

相关研究成果以《纳米尺度上晶粒几何形状对多晶铂稳定性的影响》为题，发表在《物理评论快报》上。该研究

科学家的Kelvin猜想，是设想了一种被截去顶角的八面体（截角八面体）形状的晶粒搭成的多晶材料，就像按照完美图纸搭好的积木城堡。长期以来，Kelvin猜想因其极小面条件及棱边、顶点处表面张力平衡的特点，被认为是一种描述金属中稳定晶粒堆垛的合理方案。基于该猜想构建的多晶材料结构，即Kelvin晶体，一直被视为金属中唯一可能的稳定形状。

然而，李秀艳团队的研究挑战了这一传统认知。

他们就像一群微观世界的“建筑师”，通过冷轧和低温高压扭转这两种特别的方法，将纯铂的平均晶粒尺寸细化至4纳米和2～3纳米的极小尺度。透射电子显微镜表征结果显示，4纳米样品中的晶粒仍保持了锐利的边界和棱角，呈现出典型的Kelvin晶体构型。这一发现首次在实验上证实了纳米尺度下Kelvin晶体的存在。

更为引人注目的是，当晶粒尺寸进一步细化至2～3纳米时，样品的晶界呈现出显著的随机流形结构特征，其晶粒堆垛方式及高密度孪晶网络与先前报道的纯铜中Schwarz晶体一致。这一发现表明，Schwarz晶体是一种在纳米尺度下比Kelvin晶体更稳定、更普遍的亚稳态结构。

进一步研究揭示了两种晶体结构在热稳定性方面的显著差异。Schwarz晶体由于其极小面的晶界与紧密排列的孪晶网络相结合，能够有效平衡晶格的各向异性和热涨落带来的驱动力，从而显著提高了结构的稳定性。相比之下，Kelvin晶体在高温或热涨落被放大的情况下，由于其晶界能的各向异性，容易发生失稳。

该研究不仅证实了纳米尺度下Kelvin晶体的存在，更重要的是揭示了Schwarz晶体作为一种更稳定、更普遍的亚稳态结构在纳米多晶金属材料中的重要性。这一发现对于理解晶粒几何形状及其晶界网络在纳米尺度上对稳定多晶金属的作用具有重要意义，为纳米金属材料的设计和性能优化提供了新的思路。

该研究成果为纳米金属材料领域带来了新的突破，有望推动相关领域的进一步发展。论文第一作者为金属所助理研究员傅皇留，通讯作者为李秀艳和中国科学院院士卢柯。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.056101