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一、【导读】

大多数材料是多晶的，这意味着它们是由大量不同大小和取向的晶粒组成的。这些晶粒的特征和排列以及晶粒之间的晶界是决定材料性能的基础（如塑性）。在粗晶金属和合金中，塑性最典型地由位错的成核和滑动(线性晶格缺陷)维持。这种行为伴随着晶格旋转和加工硬化，这是由于变形过程中位错的储存而发生的。在纳米颗粒金属中，塑性的来源尚不清楚，实验和模拟表明了一系列可能的替代机制，其中许多与晶界介导的变形有关，包括晶界滑动，晶界迁移和晶粒轮转，通常这些仅对小于10~15纳米的晶粒尺寸比较重要。在变形的纳米颗粒中仍然经常观察到位错、层错和变形孪晶，这表明某种形式的位错介导的塑性变形在纳米尺度上仍然活跃。粗晶金属和纳米颗粒金属变形的另一个区别是，常规粗晶材料的塑性应变通常是不可恢复的。相比之下，在纳米晶铝和金中直接观察到大量的塑性应变随时间的恢复，在纳米晶镍中也间接观察到卸载过程中X射线衍射峰展宽的逆转。另一种研究塑性变形的直接方法，是通过跟踪多晶样品的三维(3D)体积内单个晶粒的取向变化，这在实验上具有挑战性。对于粗晶金属，这是通过X射线同步辐射方法实现的。对于纳米颗粒样品，以前的观察仅限于二维测量，例如对柱状纳米颗粒钯的测量，其中有报道称卸载时单个颗粒旋转的逆转。最近在透射电子显微镜(3D- OMiTEM)中进行三维定向测绘技术的进展允许现在对样品内数百个纳米颗粒的形状和晶体取向进行快速、非破坏性的3D成像。

二、【成果掠影】

重庆大学黄晓旭教授、吴桂林教授和清华大学Andrew Godfrey教授团队利用透射电子显微镜的三维定向映射（3D-OMiTEM）技术，通过在原位纳米力学测试前后，跟踪压缩前后的晶粒取向，提供了纳米镍中近300个纳米颗粒在压缩过程中的单个晶格旋转数据。许多较大尺寸的颗粒经历了意想不到的晶格旋转，这主要是因为卸载过程中的旋转逆转。这种固有的可逆旋转源于背应力驱动的位错滑移过程，更倾向于发生在较大的晶粒中。这些结果为纳米颗粒金属的基本变形机制提供了见解，并将有助于指导材料设计和工程应用。相关研究成果以“3D microscopy at the nanoscale reveals unexpected lattice rotations in deformed nickel”发表在国际期刊Science上。

三、【核心创新点】

该项研究利用非破坏性方法3D-OMiTEM技术跟踪了在三维空间中纳米尺度塑性变形过程中伴随着位错滑动引起的晶格旋转。

四、【数据概览】

图1纳米镍变形诱导结构变化的3D-OMiTEM表征© 2023 AAAS

图2纳米镍中变形诱导晶体旋转的定量研究© 2023 AAAS

图3原位透射电镜观察显示纳米颗粒的可逆旋转© 2023 AAAS

图4纳米镍的变形机理© 2023 AAAS

五、【成果启示】

总之，该项研究利用透射电子显微镜的三维定向映射技术基于变形循环跟踪多晶镍中的晶粒，发现这些晶粒不仅在两个方向上旋转，而且有时还经历晶格的内部旋转。这种晶格旋转，更倾向于发生在较大的晶粒中，并且是由于一种称为背应力的现象，该现象驱动产生旋转的位错滑移。我们期望这些观察结果与应变工程以及由金属制成的微尺度和纳米尺度机电系统联系起来，因为严格的尺寸控制很重要。该研究结果还强调了在纳米尺度上以非破坏性的方式绘制三维微观结构对于理解纳米材料的塑性变形的重要性。这里使用的3D-OMiTEM方法适用于广泛的纳米颗粒金属，可用于同时绘制初始尺寸小至几纳米的纳米颗粒集成的晶体学和形态学特征，允许对其变形(或暴露于其他外部场(如加热)期间的演变进行统计分析。此外，这种3D测量提供的数据格式可以直接与先进的塑性模型(如分子动力学模拟和晶体塑性有限元建模)相结合，以促进对纳米颗粒金属的3D微观结构演变和塑性的更深入理解。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj2522

本文由小艺撰稿