《科学》新研究：操纵原子的运动，让金属变得更坚固

在我们的地球中，地壳由7个主要的板块构成，这些板块相互之间时刻都在发生滑动或碰撞，你看不到这些运动的发生，但你可以看到这些运动的结果：例如板块碰撞后形成的山脉和火山，或者板块分裂后留下的山谷和海洋。

科学家们发现，在许多金属中，包括铁、铜和铝，都有类似地球板块运动的现象，因为这些金属，都是由微小的晶体碎片构成的，如果你拿一块金属片，把它拉扯或压扁，这些晶体碎片就会相互移动，就像构造板块一样。而这些“板块”之间的界限也有可能会改变。

多年来，材料科学家们一直试图亲眼目睹这些不断变化的边界，现在他们已经证明，可以放大原子尺度来观察它的发生。在最近发表在《科学》（Science）杂志上的一项研究中，他们解释了如何将移动金属晶粒并将金属打造成更坚固的构件的过程。

把金属描述为晶体似乎有些奇怪，但很多金属确实是晶体，就像宝石和冰一样。晶体的定义是，它们的原子以规则的几何图案排列，例如六边形，或在空间中重复排列的立方体。

金属中的晶体被称为“多晶体”，它们的微小晶体成分被视为“晶粒”。晶粒可能具有相同的结构，但无法与相邻晶粒干净地连接。有时一个晶粒的原子与另一个晶粒的原子不对齐，或者排列成不同的角度。

更重要的是，晶粒不是静止的或固定的，它们彼此滑过，或者相互挤压。用材料科学家的话说，所有这些都被称为晶界运动。晶界运动可以改变整个材料在压力下的行为，根据晶粒的排列方式，材料也可能变得更坚硬或更脆弱。几十年来，科学家们一直试图研究晶界运动，问题是，要做到这一点，他们必须将观察的范围放大到足以检查一块材料中的单个原子。

近年来，由于透射电子显微镜的出现，他们比以往任何时候都更接近于这一点。透射电子显微镜用电子轰击一片材料，并观察从远侧穿过的形状，从而对其进行扫描。当晶界很简单，比如两个平面立方体相互扭曲时，这种方法就有效了。

但大多数晶界要复杂得多：它们可能是锯齿状的，也可能以奇怪的角度切割金属晶粒。佐治亚理工学院的材料工程师、该科学论文的作者之一朱挺（音译）说：“在这些地方观察、追踪和理解原子运动是非常具有挑战性的。”

研究人员研究了铂，尽管铂很稀有，但它经常用于风力涡轮机叶片、计算机硬盘和汽车催化转化器。他们获取了厚度仅为十亿分之几米的铂的横截面，并在电子显微镜下进行了观察。他们还使用了一种自动原子跟踪器，来检查从显微镜中出来的图像并标记原子。这样，研究人员就可以追踪这些单个原子是如何随时间移动的。

当他们分析铂时，他们发现了一些意想不到的东西。有时，随着晶粒的移动及其边界的移动，边缘的原子会从一个晶粒跳到另一个晶粒。边界会弯曲和改变，以容纳更多的原子。研究人员将原子的运动与行进乐队成员的运动进行了比较。“当一行乐队成员平行移动通过相邻的一行时，两行乐队成员合并成一行。”

在这个领域，铂似乎是一个闪亮的异类，但研究人员说，他们的工作对象也可以换成其他金属，操纵铁、铜和铝中的晶粒可以同时使这些金属更加耐用和更具延展性。“这是材料科学家可以考虑的事情。制造这种细粒度多晶体是制造更坚固的工程材料的一个重要策略，”研究人员说。

研究人员希望在大多数金属中都能找到这样的晶界运动，包括含有多种元素原子的合金。为了做到这一点，材料科学家必须放大每个原子，研究这些金属晶粒运动的不同之处。

来源：百家号