PNAS：晶界迁移率原来是张量

引言

大多数金属是晶体，这意味着它们的原子周期性地排列在晶格中。完美的晶体将始终具有相同的周期性结构。但大多数晶体由不同的晶粒组成，这些晶粒均具有相同的原子结构，但彼此的取向不同。

材料学家特别关心这些晶粒之间边界（晶界），因为晶界本质上是缺陷，在晶界中更可能发生腐蚀或其他形式的损坏。了解材料在受到外力作用时晶界如何移动，是材料微结构工程的基础。

成果简介

美国宾夕法尼亚大学陈孔韬博士和香港城市大学David Srolovitz团队合作，通过位错的统计物理模型和分子动力学模拟，说明了晶界动力学里最重要的系数----晶界迁移率，应该是一个二阶对称张量，而不是目前科学家普遍认为的标量。

晶界迁移率是把晶界速度和驱动力联系起来的关键。虽然晶界速度通常被认为是晶界沿着法向的运动速度，晶界上下的晶粒也会相对滑移，所以，晶界速度是一个向量。晶界运动可以被晶界上下的化学势差所驱动，也可以被切应力所驱动，所以，晶界上的驱动力也是一个向量。因此，做为速度和驱动力的比例系数，晶界迁移率必须是一个张量。通过对一个铜的晶界的分子动力学模拟，陈孔韬等发现，晶界迁移率张量的所有分量都不是0。其中一些分量随着温度上升而增加，另一些随着温度上升而下降。陈孔韬等提出了一种基于位错的统计模型，说明了在一个临界温度以下，晶界迁移率和温度遵守阿伦尼乌斯方程，而在临界温度以上，晶界迁移率正比于温度的倒数。这个临界温度由位错的能量决定。对于一个晶界，哪个位错发挥主导作用，取决于驱动力的类型和我们研究的晶界迁移率分量。最后，陈孔韬等研究了晶界迁移率张量如何影响了经典晶粒生长理论，并说明了晶界运动带来的应力会降低晶界迁移率和晶粒生长速度。

图文导读

Figure 1晶界分子动力学模拟的示意图

Figure 2晶界迁移率张量的各个分量的温度依赖性

Figure 3晶粒生长中，晶粒大小、切变随时间的演化

第一作者介绍

陈孔韬，宾夕法尼亚大学博士，师从美国工程院院士David Srolovitz，用统计物理、分子动力学、蒙特卡洛模拟等方法研究晶界动力学。曾获Acta Student Award (结构材料学顶级刊物Acta Materialia的年度最佳学生论文奖)，President Gutmann Leadership Award (宾夕法尼亚大学授予顶尖研究生的奖项)，担任Materials & Design等期刊审稿人，并受邀在美国麻省理工学院、法国里尔大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室等进行学术报告。以第一作者在PNAS、Acta Materialia等发表多篇论文，并被Justdial.com, Phys.org等国际媒体报道。

参考文献

https://www.pnas.org/content/117/9/4533.short

本文由记者林旻投稿。