IT之家 3 月 1 日消息，中國科學院金屬研究所研究員李秀艷團隊在研究純鉑晶粒時，首次發(fā)現(xiàn)了納米尺度下 Kelvin 晶體的存在，并證實 Schwarz 晶體是一種比 Kelvin 晶體更穩(wěn)定、更普遍的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。
該研究揭示了極小尺寸純鉑晶粒的幾何形狀與穩(wěn)定性之間的密切關(guān)系，為納米多晶金屬材料的設(shè)計與性能優(yōu)化提供了全新理論框架。
百年理論突破：從 Kelvin 到 Schwarz 的范式轉(zhuǎn)移
科學家的 Kelvin 猜想，是設(shè)想了一種被截去頂角的八面體（截角八面體）形狀的晶粒搭成的多晶材料，就像按照完美圖紙搭好的積木城堡。
長期以來，Kelvin 猜想因其極小面條件及棱邊、頂點處表面張力平衡的特點，被認為是一種描述金屬中穩(wěn)定晶粒堆垛的合理方案。基于該猜想構(gòu)建的多晶材料結(jié)構(gòu)，即 Kelvin 晶體，一直被視為金屬中唯一可能的穩(wěn)定形狀。然而，李秀艷團隊的研究挑戰(zhàn)了這一傳統(tǒng)認知。
李秀艷團隊通過冷軋與低溫高壓扭轉(zhuǎn)技術(shù)，將純鉑晶粒細化至不同尺度。透射電鏡顯示，Schwarz 晶體通過高密度孿晶網(wǎng)絡(luò)與極小晶界面的協(xié)同作用，展現(xiàn)出更強的熱穩(wěn)定性。
4 納米級：仍保持 Kelvin 晶體銳利棱角特征。這一發(fā)現(xiàn)首次在實驗上證實了納米尺度下 Kelvin 晶體的存在。
2-3 納米級：晶界呈現(xiàn)隨機流形結(jié)構(gòu)，形成 Schwarz 晶體。這一發(fā)現(xiàn)表明，Schwarz 晶體是一種在納米尺度下比 Kelvin 晶體更穩(wěn)定、更普遍的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。
團隊進一步研究揭示了兩種晶體結(jié)構(gòu)在熱穩(wěn)定性方面的顯著差異。Schwarz 晶體由于其極小面的晶界與緊密排列的孿晶網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，能夠有效平衡晶格的各向異性和熱漲落帶來的驅(qū)動力，從而顯著提升了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
相比之下，Kelvin 晶體在高溫或熱漲落被放大的情況下，由于其晶界能的各向異性，容易發(fā)生失穩(wěn)。
該研究不僅證實了納米尺度下 Kelvin 晶體的存在，更揭示了 Schwarz 晶體作為一種更穩(wěn)定、更普遍的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在納米多晶金屬材料中的重要性。
這一發(fā)現(xiàn)對于理解晶粒幾何形狀及其晶界網(wǎng)絡(luò)在納米尺度上對穩(wěn)定多晶金屬的作用具有重要意義，為納米金屬材料的設(shè)計和性能優(yōu)化提供了新的思路。
相關(guān)研究成果已以《納米尺度上晶粒幾何形狀對多晶鉑穩(wěn)定性的影響》為題，發(fā)表在《物理評論快報》上。IT之家附論文地址：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.056101
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