香港城市大学研究人员重塑对晶界的认识

来自 实验室仪器网

香港城市大学（CityUHK）的研究人员与本地和海外大学的专家合作，重塑了科学家对晶体材料动力学过程的根本理解，为材料加工和微观结构定制的新方法提供了启示。

晶体的特征是原子在晶格结构中排列整齐。晶粒边界是不同取向的晶体相遇的平面缺陷。大多数晶体材料都是多晶体，是许多具有不同取向的多面体晶粒的集合。因此，晶粒边界是材料中常见的缺陷，对机械和物理性能有重大影响。操纵晶粒边界的数量成为一种调整材料性能的有效策略。

传统上，人们认为晶粒边界的迁移率与驱动力成正比，比例系数（即迁移率）被认为是常数。然而，这项研究挑战了这一观点，揭示了晶粒边界迁移率取决于迁移方向，而不是一个常数值。

“因此，晶粒边界可以在没有净驱动力的情况下单向迁移。有趣的是，这种无驱动的晶粒边界迁移类似于布朗棘轮的单向旋转，”香港城市大学材料科学及工程系 (MSE) 教授韩建表示。

该项研究以“晶粒边界是布朗棘轮”为题发表于顶级期刊《科学》。

研究发现，大多数晶粒边界的移动性取决于晶粒边界迁移的方向。通过对各种条件下的大量晶粒边界进行原子级模拟，研究人员确认，只要晶粒边界相邻的两个晶粒不具有对称性，晶粒边界移动性就会表现出方向性，这是一种常见的情况。

由于晶粒边界在一个方向上的移动速度比在相反方向上的移动速度快，因此在零附近振荡的驱动力可以诱导晶粒边界在一个方向上迁移。研究人员使用布朗棘轮模型解释了这种行为。

“布朗棘轮是一种棘轮单向旋转的装置，桨轮会因原子的随机冲击而随机向任一方向旋转。同样，晶粒边界在受到振荡驱动力或温度时也会单向迁移，” MSE 博士生、论文第一作者 Qiu Caihao 说道。

这项研究重塑了目前大多数研究人员和教科书对晶界动力学的理解，并提出了一种控制材料微观结构演变的新方法。

该论文的通讯作者是韩教授、香港大学David Srolovitz教授、德累斯顿工业大学Marco Salvalaglio教授和加州大学欧文分校潘小庆教授。

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