潘晓晴最新Science，揭示纳米晶材料中的晶粒旋转机制！

一、【科学背景】

多晶材料是具有不同晶格取向的晶粒的聚集体。在微观结构演变过程中，晶粒经历了近乎刚体的旋转。在多晶材料中，尤其是纳米晶材料中的再结晶、塑性变形和晶粒生长过程中，已广泛观察到近刚体晶粒旋转。晶粒旋转极大地影响了微观结构的演变（例如改变了晶粒生长动力学），并控制了织构的演变。近刚体晶粒旋转已经根据各种晶界（GB）介导的过程进行了描述，例如GB位错爬升、GB扩散、GB滑动、盘状偶极子动力学和剪切耦合GB迁移。尽管经过了几十年的研究，晶粒旋转的主要机制仍然是个谜。

二、【创新成果】

基于此，美国加州大学尔湾分校潘晓晴教授、香港大学David J. Srolovitz和香港城市大学韩健教授等人在Science发表了题为“Grain rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt thin films”的论文，揭示了晶粒旋转在铂（Pt）薄膜中是通过沿晶界的断开（具有阶梯和位错特征的线缺陷）运动而发生的。研究人员利用最先进的原位四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）观察揭示了晶粒旋转和晶粒生长或收缩之间的统计相关性。这种相关性来自于剪切耦合的晶界迁移，这是通过断开运动发生的，通过原位高角环形暗场STEM观测和原子模拟辅助分析来证明。本研究不仅为多晶中近刚体晶粒旋转提供了定量见解，还展示了多尺度原位TEM在解决关于原位TEM研究对原子尺度机制的代表性的争论方面的巨大潜力。

图1  同时进行的GB迁移和晶粒旋转的原位观察 © 2024 AAAS

图2  断开运动和颗粒旋转的同步原子尺度观测 © 2024 AAAS

图3  晶粒同时生长和旋转的微观结构尺度观察 © 2024 AAAS

三、【科学启迪】

综上，本研究提供了直接的多尺度证据，表明晶粒旋转是由纳米晶薄膜材料中GB上的断开传播引起的。原位加热4D-STEM研究从统计学上证明，在晶粒生长过程中，晶粒旋转广泛发生，这与纳米晶材料中的GB迁移密切相关。原子尺度原位HAADF-STEM观测表明，晶粒旋转和GB迁移之间的耦合源于断开运动，这导致沿GB的剪切并驱动晶粒旋转。这些发现证明了断开运动在决定纳米晶材料微观结构演化的性质和行为方面的关键作用，并为理解微观结构动力学和GB工程提供了新的见解。

原文详情：Grain rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt thin films (Science 2024, 386, 49-54)

本文由大兵哥供稿。