編輯總結
確定材料變形的具體機制對于更好的工程設計至關重要，但某些過程，例如晶粒的剛體旋轉機制，一直難以孤立研究。本文利用四維透射電子顯微鏡研究了鉑薄膜中納米晶粒旋轉的機制。作者識別出一種主要的旋轉機制，并發現旋轉與晶粒生長或收縮之間存在相關性。這些觀察結果將幫助我們更好地理解各種材料的機械特性。——Brent Grocholski
研究背景
隨著納米晶材料的廣泛應用，微觀結構的演化過程，特別是晶粒的旋轉現象，引起了越來越多科學家的關注。晶粒旋轉是多晶材料在再結晶、塑性變形和晶粒生長等過程中普遍觀察到的現象。這種近剛體旋轉對于微觀結構演化的影響顯著，尤其是它對晶粒生長動力學和織構演化的調控作用。因此，深入研究晶粒旋轉的機制對優化材料的性能和設計新材料至關重要。盡管已有大量研究探討晶粒旋轉的相關機制，但其背后的主導機制仍然存在爭議。傳統上，晶粒旋轉被解釋為晶界（GB）介導的多種過程，如晶界位錯爬升、晶界擴散、晶界滑移、缺位二極管動力學和剪切耦合的晶界遷移等。然而，這些機制在不同條件下的主導作用并不明確，尤其是在高角度晶界的情況下。對于低角度晶界，晶界位錯爬升可以有效解釋晶粒旋轉，但在更常見的高角度晶界中，晶界位錯并不明顯。此外，長距離的質量傳輸在晶界擴散模型中被認為是限制因素，這使得該模型不適用于室溫下觀察到的快速晶粒旋轉現象。因此，如何在缺乏明確實驗證據的情況下，建立不連續性運動與晶粒旋轉之間的定量關聯成為當前研究的一個重要挑戰。 為此，美國加州大學爾灣分校潘曉晴教授、香港大學David J. Srolovitz和香港城市大學韓健教授等人合作在“Scienc”期刊上發表了題為“Grain rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt thin films”的最新論文。他們采用多尺度原位掃描透射電子顯微鏡（STEM）的方法，深入研究了納米晶薄膜中的晶粒旋轉機制。通過原位高分辨率高角度環形暗場STEM（HAADF-STEM）成像，研究團隊定量關聯了每個晶界遷移事件與不連續性運動之間的關系，揭示了不連續性在晶粒旋轉中的關鍵作用。同時，采用原位四維STEM技術進行了微觀結構尺度的觀察，以驗證晶粒旋轉與晶粒生長或收縮之間的相關性。此外，團隊還通過原子級模擬輔助解釋實驗觀察結果。
研究亮點
1. 實驗首次通過四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM）研究了納米晶薄膜中不連續性介導的晶粒旋轉，得到了晶粒旋轉與晶界遷移之間的定量關聯。2. 實驗通過原位高角度環形暗場STEM（HAADF-STEM）成像技術，揭示了在毛細作用驅動的晶粒生長過程中，晶粒的近剛體旋轉是通過晶界中的不連續性運動實現的。此外，觀察到的結果表明，晶粒旋轉與晶粒的生長或收縮之間存在統計相關性，這一相關性源自于剪切耦合的晶界遷移。3. 實驗結果顯示，當不連續性在晶界上運動時，能夠引起局部原子重組，這支持了不連續性在晶粒旋轉中的關鍵作用。通過原子級模擬，進一步驗證了晶界擴散和不連續性活動對晶粒旋轉的影響。4. 研究強調了在多晶體和納米晶材料中，不連續性運動在微觀結構演化過程中的重要性，為理解微觀結構動態和晶界工程提供了新的見解。該研究的發現對未來新材料的設計和開發具有重要意義，包括合金和高熵合金。
圖文解讀
總結展望
本文的研究揭示了在納米晶材料中，近剛體晶粒旋轉的機制主要是由晶界上的不連續性運動主導。這一發現為我們理解多晶材料在再結晶、塑性變形和晶粒生長過程中的微觀結構演化提供了重要的定量依據。通過原位四維STEM技術，作者成功地在原子尺度上關聯了晶界遷移事件與不連續性運動，從而揭示了晶粒旋轉與晶粒生長或收縮之間的內在聯系。這一研究不僅為傳統的晶粒旋轉機制提供了新的視角，也為優化材料設計和改善其力學性能提供了理論支持。此外，研究結果表明，剪切耦合的晶界遷移機制在多晶材料的微觀結構演化中起著關鍵作用。由此可見，深入探討晶界及其運動機制對于發展新型材料，特別是在高熵合金等復雜材料中的應用具有重要的啟示意義。Yuan Tian et al. ,Grain rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt thin films.Science386,49-54(2024).DOI:10.1126/science.adk6384
