一、燕山移材【導讀】
? ? ? ?金剛石是大學一種由碳原子構成的晶體結構，具有非常高的金剛界遷硬度和熱導率，還具有高透光性、石結寬禁帶等突出優勢，構轉有著廣泛的變非應用前景，但是相干其固有脆性易引發災難性故障，對以金剛石材料為關鍵部件的孿晶料牛器件的可靠性和使用壽命構成了重大威脅。需要在保證金剛石超高硬度的燕山移材同時提升其斷裂韌性。其結構轉變是大學指在一定的條件下，金剛石晶體結構發生變化的金剛界遷過程。非相干孿晶界是石結指兩個晶體之間的界面，界面上的構轉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動和擴散過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、斷裂和晶粒生長等現象。晶界（GB），作為多晶材料中的一種平面缺陷，已知會影響材料性能。例如，在納米結構金屬和超硬材料中，包括孿晶界的高密度晶界可以強烈地阻礙位錯運動，從而顯著地促進強化和硬化。根據熱力學條件和加工已有研究，晶界可以采用具有不同邊界特性，如擴散率、流動性和內聚強度。在熱或機械刺激下，不同的晶界配置可能會發生類似相變，導致微觀結構演變（異常晶粒生長和穩定的納米晶合金）和材料性能（液態金屬脆化）的突發變化。
二、【成果掠影】
? ? ? ?晶界（GB），其結構和結構轉變的多樣性，在多晶材料的性能中起著至關重要的作用。作為一個獨特的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。盡管已經闡明了多種ITB構型和轉變，但它們的轉變機制和對機械性能的影響在很大程度上仍未被探索，特別是在共價材料方面。在這里，我們報告了六個非相干孿晶界配置和金剛石在室溫下的結構轉變的原子觀測，顯示了不同于金屬位錯介導的機制。占主導地位的非相干孿晶界是不對稱的，移動的較少，對納米孿晶金剛石的連續硬化有很大的貢獻。同時，也對非相干孿晶界活動的潛在驅動力進行了討論。燕山大學的田永君院士團隊在金剛石結構轉變與非相干孿晶界遷移方面進行了一系列的研究工作。通過實驗和模擬方法，探索了金剛石結構轉變和非相干孿晶界遷移的機理和規律。其研究成果在材料科學領域具有重要的學術和應用價值，并為相關領域的研究提供了理論和實驗基礎。研究結果揭示了金剛石和共價材料的晶界行為，指出了開發高性能納米孿晶材料的新策略。該成果以標題為：“Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond”發表在2024年Nature上。
三、【核心創新點】
- 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)構型;
- 為了驗證構型多樣性，使用進化算法對金剛石{ 112}非相干孿晶界(ITB)進行了結構搜索，并使用第一性原理進行能量計算。
四、【數據概覽】
圖1. 在nt-金剛石中{ 112} ITB的多種構型共存。?2023 Nature Catalysis
圖2. 原子分辨率下ITB躍遷的原位觀察。?2023 Nature Catalysis
圖3. 與配置相關的 ITB 遷移。?2023 Nature Catalysis
圖4. ITB活動壓力驅動機制的證據。?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，證明了化學鍵的關鍵作用。此外，對能量耗散特性的分析表明，非相干孿晶界(ITB)轉變對nt-金剛石增韌有重大貢獻。觀察到的位錯介導的晶界(GB)活性也可能發生在其他共價材料中，為高性能共價材料的微觀結構工程提供了積極的指導意義。
原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06908-6
