第一作者：Xiaoling Zhou, Zongqiang Feng, Linli Zhu, Jianing Xu
通訊作者：陳斌、黃曉旭
通訊單位：北京高壓科學研究中心、重慶大學
根據經典的Hall–Petch經驗公式，超細晶粒金屬的強度隨著晶粒尺寸的減小而不斷增強。這個一經驗公式的臨界尺寸為10-15 nm。也就是說，一旦尺寸降低到10 nm以下，金屬的強度不增反降，導致材料軟化。
這里面就至少存在一個問題：譬如微電子器件，對很多金屬元件的要求都達到納米尺度，這將不利于微型電子器件行業的發展。
為了解決這一問題，科學家進行了一系列探索。包括之前的盧柯院士團隊發展的金屬表面納米化或者合金化策略，都在超小金屬的穩定性領域取得了突破常規的重要進展。
然而，雖然國內外科研團隊報道了一系列尺寸導致的金屬強化的研究，但是金屬強度與尺寸的關系并不清晰，不同科研團隊之間的研究結果甚至有相互矛盾的現象。人們對于其中的增強機制，并未十分了然。1）難以得到高質量的超細晶粒金屬樣品用于傳統的拉伸或硬度測試；2）難以從微觀或者納米尺度確定納米晶粒金屬的主要塑性變形機制。有鑒于此，北京高壓科學研究中心陳斌研究員團隊和重慶大學黃曉旭教授團隊，聯合復旦大學、浙江大學、吉林大學等多個科研團隊，進一步研究了超細晶粒純金屬材料的強度和尺寸之間的關系，為今后發展超強納米金屬提供了重要指導。1）創造性地采用交叉學科中的高壓實驗方法，解決了超細晶粒金屬材料的表征難題。2）首次將超強金屬材料的尺寸降低到10 nm以下，在3 nm的尺寸實現了納米純金屬的強化。當純鎳金屬晶粒尺寸在3 nm時，可以實現高達4.2 GPa的超高屈服強度，比常規純鎳強度提高了一個數量級。3）發現實現這一異常現象的原因在于：高壓變形促進了位錯形成，抑制了晶界滑移。XiaolingZhou et al. High-pressure strengthening in ultrafine-grained metals. Nature 2020.https://www.nature.com/articles/s41586-020-2036-z
