科学|金属所在极细多晶体铜中发现一种新型亚稳固态-受限晶体结构科学

金属通常以多晶体形式存在，即许多金属原子按一定规则整齐排列在一起形成一个有序区域，称为晶粒，晶粒与晶粒之间由几个原子层厚的界面相连接，在三维空间中构成宏观金属固体。由于晶粒之间存在晶体学取向差，晶界中原子的排列往往杂乱无序，这种无序晶界的存在使多晶体的稳定性远低于完整晶体（单晶体）。例如，当把多晶体金属加热到不足熔点一半时，晶界便开始失稳迁移导致晶粒长大，材料性能变化（如软化）。在受力时晶界也会发生迁移使多晶体结构失稳。
晶粒尺寸越小晶界上原子比越多，多晶体的稳定性就越下降，当晶粒尺寸降为纳米尺度时，有些金属在室温下便会出现晶粒长大。对于某些金属合金，当晶粒尺寸减小到足够小时（通常为几纳米），整个多晶体结构失稳，形成一种亚稳的非晶态固体（或称玻璃态）。非晶固体在受热或力的作用下会进一步向更稳定的晶体转变。通常认为，完整单晶体和亚稳非晶固态是金属固体的两个极端状态，多晶体结构是一种介于这两者之间的不稳定结构。然而，非晶固态只有在有限的合金成分范围内才能形成，对于绝大多数合金和纯金属，无论晶粒多么细小也无法形成非晶固态。因此，材料科学和凝聚态物理领域长期以来存在一个重要的基础性问题：在多晶体晶粒尺寸不断减小接近某极限值（如原子尺寸）前是否还存在别的亚稳态结构？11月13日， Science报道了关于这一问题的重要研究进展。
中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心纳米金属科学家工作室研究员李秀艳、卢柯及特别研究助理周鑫，与上海交通大学教授金朝晖合作，利用大量精细实验并结合模拟计算发现，当晶粒尺寸降低到几纳米时，纯金属铜多晶体会形成一种新型亚稳结构——Schwarz crystal（受限晶体）结构，这种具有极小界面（minimal interface）的三维结构表现出极高的热稳定性和力学稳定性，在纯铜的熔点以下不发生晶粒长大，其强度接近理论强度。这一重要发现表明除非晶固态外，多晶体金属在晶粒极细时还存在另外一种亚稳固体状态，其稳定性甚至远高于非晶固体。
研究人员利用两步低温塑性变形技术，将纯铜薄片的晶粒尺寸降低到10 nm以下。显微结构观察发现，这种极细的多晶体中呈现出典型的类似水油不互溶双连续相中常见的流形结构，经系统表征纳米晶粒的尺寸、形态、取向及分布等，许多极小晶粒具有规则的Kelvin截角八面体形态，且存在相当数量的低能界面（如孪晶界和重位点阵界面），结合这些结构特征和分子动力学模拟计算，发现这种极细晶粒之间的界面具有一种极小界面结构特征，这种被称为Schwarz-D界面的平均曲率为零，结构稳定性很强。同时，极细晶粒中大量低能孪晶界又进一步约束了这种极小界面，使其稳定性更高。因此，这种具有受限极小界面结构的多晶体（简称“受限晶体”）能够表现出极高的热稳定性和力学稳定性。
受限晶体结构的发现为探索固态物质结构基本特征及其新性能开辟了一个全新空间，也为研发高稳定性金属材料及制造工艺提供了新的机遇与挑战。
研究工作得到国家重点研发计划和中科院科学家工作室计划的资助。

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图1.左上：纯铜中受限晶体的TEM明场像；右上：高分辨透射电镜观察显示受限晶体显示出近截角八面体特征；下：MD模拟显示受限晶体特征

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【科学|金属所在极细多晶体铜中发现一种新型亚稳固态-受限晶体结构】分页标题图2.A：晶粒尺寸分别为10nm、25nm、50nm的纯铜晶粒尺寸随退火温度的变化情况；B：纯铜受限晶体加热到接近熔点温度（1348K）晶粒尺寸没有明显变化；C和D分别为纯铜中晶粒粗化温度与强度随晶粒尺寸的变化图，受限晶体呈现出接近熔点的超高稳定性和接近理想强度的高强度