看透多晶金属的绝妙组合：晶界研究不再为难

材料牛注：晶界的形态对多晶金属的电阻率等性质有着重要影响，但目前仍缺乏简单有效的表征手段。MIT的科学家们开发出了新的测试方法，结合光镜和电镜，能够看穿多晶金属的一切。

图注：左侧粉色图为光学显微镜结果，右侧为电子背散射结果。

多晶金属材料不是单一的大晶体,而是由多个小晶体随机排列而成的，在诸如核反应堆、民用基础设施、飞机等方面应用广泛。然而研究它们的晶体结构和晶界等细节一直十分困难。

近日，就职于麻省理工学院(MIT)等地的研究人员开发出一套新方法，可以提供多晶金属微观结构的详细信息。这一新的研究成果由MIT的Matteo Seit博士、Michael Demkowicz教授、Christopher Schuh教授以及其他五位研究人员共同完成并发表。

Seita和其团队致力于解决材料学中最常见的问题之一：“我们如何以高通量方式量化一种材料的特征。我们开发的新方法是不同的技术的独特组合。”

有些方法能够提供关于结构的大量细节，但它们非常耗时，且不能捕捉到材料中的快速变化。另一些方法很快速，但提供的细节很少。还有一些方法能够提供空间和时间上的细节，但却很昂贵或者只能在特定的地方可用。Seita说，新方法将多种技术重新组合，可以提供快速、高分辨率和低成本的成像结果，从而打破这些限制。

在由许多小的晶粒组成的多晶金属的相关研究中，关键是知道位置、尺寸、接触角度，以及不同晶粒构成材料时的其它特征。特别是晶粒之间的界面，即晶界。Seita说:“对于材料的许多特征属性，如强度、耐辐射度、硬度、电阻等，晶界都是至关重要的。但这些属性难以用实验表征，因为它们非常复杂。”

研究人员需要对晶界的五个基本特征量化，但多数研究工具只能得到两到三个参数的部分信息。高能同步辐射可以一次得到全部的五个特征，但这种设备较少价格昂贵且有被过度定购的趋势。

“我们的解决方案是设法创建一个任何人都可以使用的，在他们自己的实验室中利用软件和硬件便可轻松获得的简单方法。”Seita说到。他们利用现有的光学显微镜和电子显微镜两种方法进行组合，成功实现这一目的。

“我们采用两个不同的数据集，并用数值图像分析将它们结合。”Seita解释说。他们使用了多晶的金属箔片，薄到可以从两侧看到单个晶粒。然后他们在其中一侧拍摄光学显微镜图像，再快速翻过来拍另一侧，之后用软件将两侧的晶界对应起来。这样便可重建这些晶界的三维取向。

然后，这些信息被与描述晶粒内原子的真实排列的电子显微镜图像相结合，即可呈现各个晶胞的取向，以及它们与相邻晶粒的关联。组合后的信息提供了金属箔晶界的全部的五个特征量。

Seita称：“这样做的妙处是，它是一种高通量技术。在一个样品中，可以测量的晶界多达500个左右，并且可以迅速地建立数据集。”现有的检测方法在检测过程中会消耗样品，而这种新方法属于无损检测，这意味着样品可以继续接受其它测试，比如力学或电学特性检测，其结果可与晶界的数据相比较。

Seita说：“这种新的方法非常普适，所以外面的很多研究组都可以使用。更重要的是，尽管最初的测试样品是多晶金属，但该方法不局限于特定材料，也可以应用到绝缘体或半导体上。我们可以测试不同种类的属性，并建立大型数据集，并最终利用这些数据来预测新型多晶材料的特性。”

“对于设计有特殊用途的材料，我们可以计算出所需要的晶界，并计算出如何构造具有这样晶界的材料。”Seita如是说到。通过改造材料操控这些晶界的特性，以增加它们的丰度或相对指向，可使材料属性产生显著变化。例如，该方法可以用来找出如何减少暴露于恶劣环境中的金属的腐蚀速率，如石油或天然气钻井设备等。

新墨西哥州桑迪亚国家实验室的资深成员Brad Boyce这样评价这项工作：“在晶体结构的大数据量快速表征方面，是激动人心的一步。晶界能广泛影响材料性质，从材料的形变到电阻率……但材料科学家发掘晶界特征的技术手段有限。现在有了这种新技术，我热切地期望看到这项成果在提供快速、高通量表征方面进一步的发展，特别是在光镜分辨率限制下用于破译局域晶界特征方面。”

原文链接：New technique provides detailed views of metals’ crystal structure 

文献链接：A high-throughput technique for determining grain boundary character non-destructively in microstructures with through-thickness grains

本文由编辑部糯米提供素材，房驰编译，李卓审核。

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