近日，浙江大學(xué)張澤院士、王江偉研究員團(tuán)隊(duì)在《Nat. Commun.》上發(fā)表了題為《In situ atomistic observation of disconnection-mediated grain boundary migration》的研究成果(NAT.COMMUN.|(2019)10:156)。研究者們?cè)谕干?span style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋體; letter-spacing: 0px; line-height: 22.4px; color: rgb(0, 0, 0);">電鏡中利用PicoFemto^?原位力學(xué)-電學(xué)樣品桿巧妙地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，成功原位制備并測量了多種金屬納米結(jié)構(gòu)。該研究成果為建立完整的晶界變形理論提供有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，進(jìn)而也為改善材料的力學(xué)性能提供了新思路。

    深入研究晶界遷移機(jī)制對(duì)于調(diào)控材料的力學(xué)性能具有重要意義。作為一種常見的塑性變形行為，晶界遷移現(xiàn)象受到了廣泛報(bào)道和關(guān)注。其中，disconnection晶界遷移機(jī)制關(guān)注的是切應(yīng)力作用下的晶界遷移現(xiàn)象，這一理論模型受到廣泛關(guān)注并且在分子動(dòng)力學(xué)模擬中得到了證實(shí)和完善。然而，如果想要進(jìn)一步對(duì)材料塑性變形過程中晶界機(jī)制有更加系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和深入的理解，就一定做到實(shí)時(shí)觀測應(yīng)力作用下晶界處原子結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變過程。

    本文結(jié)合先進(jìn)的原位電鏡技術(shù)和分子動(dòng)力學(xué)模擬，從原子尺度揭示了剪切應(yīng)力作用下不同結(jié)構(gòu)的晶界通過disconnection形核、滑移和交互作用實(shí)現(xiàn)往復(fù)遷移的普適機(jī)制。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，納米晶材料中的三叉晶界可以作為disconnection形核的有效位置，促進(jìn)晶界遷移，并且其它晶界缺陷（如位錯(cuò)）對(duì)該遷移不產(chǎn)生明顯的釘扎作用，顯著提高了材料的塑性變形能力。

    PicoFemto^?原位力學(xué)-電學(xué)樣品桿與球差電鏡、高速相機(jī)結(jié)合，高質(zhì)量地制備出多種包含不同類型晶界的金屬納米結(jié)構(gòu)；在實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的原位剪切加載的基礎(chǔ)上，借助高速相機(jī)實(shí)時(shí)捕捉變形過程中晶界結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變過程，該方法可有效制備各種不同類型的晶界，從而為晶界變形行為的研究提供了一種有效的手段。即使在球差電鏡中，PicoFemto^?原位力學(xué)-電學(xué)樣品桿也保持了原子級(jí)穩(wěn)定性，從而使照片保證了球差電鏡原有分辨率。該產(chǎn)品擁有世面上同類產(chǎn)品中卓群的操縱范圍（XY—2.5 mm，Z—1.5 mm，9個(gè)數(shù)量級(jí)）、高的操縱精度（XY—0.4 nm，Z—0.04 nm）以及高的穩(wěn)定性（無抖動(dòng)，保證電鏡原有分辨率）。實(shí)驗(yàn)中無論粗調(diào)、細(xì)調(diào)都是全軟件操作，界面友好，易用性強(qiáng)。
 

圖1 原子尺度觀察Σ11(113)晶界上兩種不同類型disconnection滑移導(dǎo)致的晶界遷移現(xiàn)象，并在分子動(dòng)力學(xué)模擬中得到驗(yàn)證

圖2 Σ11(113)晶界在循環(huán)加載過程中通過disconnection機(jī)制實(shí)現(xiàn)往復(fù)遷移

圖3 Disconnection在復(fù)雜晶界結(jié)構(gòu)塑性變形中的三叉晶界形核機(jī)制

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