一、燕山移材【導(dǎo)讀】
? ? ? ?金剛石是大學(xué)一種由碳原子構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)，具有非常高的金剛界遷硬度和熱導(dǎo)率，還具有高透光性、石結(jié)寬禁帶等突出優(yōu)勢(shì)，構(gòu)轉(zhuǎn)有著廣泛的變非應(yīng)用前景，但是相干其固有脆性易引發(fā)災(zāi)難性故障，對(duì)以金剛石材料為關(guān)鍵部件的孿晶料牛器件的可靠性和使用壽命構(gòu)成了重大威脅。需要在保證金剛石超高硬度的燕山移材同時(shí)提升其斷裂韌性。其結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是大學(xué)指在一定的條件下，金剛石晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的金剛界遷過(guò)程。非相干孿晶界是石結(jié)指兩個(gè)晶體之間的界面，界面上的構(gòu)轉(zhuǎn)晶體排列方式與晶體本身的排列方式不同。非相干孿晶界在材料中的變非運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散過(guò)程稱作非相干孿晶界遷移。非相干孿晶界遷移涉及晶體材料的相干變形、斷裂和晶粒生長(zhǎng)等現(xiàn)象。晶界（GB），作為多晶材料中的一種平面缺陷，已知會(huì)影響材料性能。例如，在納米結(jié)構(gòu)金屬和超硬材料中，包括孿晶界的高密度晶界可以強(qiáng)烈地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而顯著地促進(jìn)強(qiáng)化和硬化。根據(jù)熱力學(xué)條件和加工已有研究，晶界可以采用具有不同邊界特性，如擴(kuò)散率、流動(dòng)性和內(nèi)聚強(qiáng)度。在熱或機(jī)械刺激下，不同的晶界配置可能會(huì)發(fā)生類似相變，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)演變（異常晶粒生長(zhǎng)和穩(wěn)定的納米晶合金）和材料性能（液態(tài)金屬脆化）的突發(fā)變化。
二、【成果掠影】
? ? ? ?晶界（GB），其結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的多樣性，在多晶材料的性能中起著至關(guān)重要的作用。作為一個(gè)獨(dú)特的GB子集，{ 112}非相干孿晶界（ITB）在納米孿晶面心立方材料中普遍存在。盡管已經(jīng)闡明了多種ITB構(gòu)型和轉(zhuǎn)變，但它們的轉(zhuǎn)變機(jī)制和對(duì)機(jī)械性能的影響在很大程度上仍未被探索，特別是在共價(jià)材料方面。在這里，我們報(bào)告了六個(gè)非相干孿晶界配置和金剛石在室溫下的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的原子觀測(cè)，顯示了不同于金屬位錯(cuò)介導(dǎo)的機(jī)制。占主導(dǎo)地位的非相干孿晶界是不對(duì)稱的，移動(dòng)的較少，對(duì)納米孿晶金剛石的連續(xù)硬化有很大的貢獻(xiàn)。同時(shí)，也對(duì)非相干孿晶界活動(dòng)的潛在驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了討論。燕山大學(xué)的田永君院士團(tuán)隊(duì)在金剛石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變與非相干孿晶界遷移方面進(jìn)行了一系列的研究工作。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬方法，探索了金剛石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和非相干孿晶界遷移的機(jī)理和規(guī)律。其研究成果在材料科學(xué)領(lǐng)域具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值，并為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。研究結(jié)果揭示了金剛石和共價(jià)材料的晶界行為，指出了開發(fā)高性能納米孿晶材料的新策略。該成果以標(biāo)題為：“Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond”發(fā)表在2024年Nature上。
三、【核心創(chuàng)新點(diǎn)】
- 金剛石樣品晶粒尺寸小于100nm，存在著和{ 112}非相干孿晶界(ITB)和{ 111}相干孿晶界(CTB)構(gòu)型;
- 為了驗(yàn)證構(gòu)型多樣性，使用進(jìn)化算法對(duì)金剛石{ 112}非相干孿晶界(ITB)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)搜索，并使用第一性原理進(jìn)行能量計(jì)算。
四、【數(shù)據(jù)概覽】
圖1. 在nt-金剛石中{ 112} ITB的多種構(gòu)型共存。?2023 Nature Catalysis
圖2. 原子分辨率下ITB躍遷的原位觀察。?2023 Nature Catalysis
圖3. 與配置相關(guān)的 ITB 遷移。?2023 Nature Catalysis
圖4. ITB活動(dòng)壓力驅(qū)動(dòng)機(jī)制的證據(jù)。?2023 Nature Catalysis
五、【成果啟示】
? ? ? ?綜上所述，在室溫下觀察到的金剛石非相干孿晶界(ITB)活性與金屬或離子材料中的非相干孿晶界(ITB)活性明顯不同，證明了化學(xué)鍵的關(guān)鍵作用。此外，對(duì)能量耗散特性的分析表明，非相干孿晶界(ITB)轉(zhuǎn)變對(duì)nt-金剛石增韌有重大貢獻(xiàn)。觀察到的位錯(cuò)介導(dǎo)的晶界(GB)活性也可能發(fā)生在其他共價(jià)材料中，為高性能共價(jià)材料的微觀結(jié)構(gòu)工程提供了積極的指導(dǎo)意義。
原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06908-6
