【新聞中心訊】在國家自然科學(xué)基金的支持下，燕山大學(xué)亞穩材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室高壓科學(xué)中心田永君院士團隊與美國芝加哥大學(xué)王雁賓教授合作，在室溫條件下實(shí)現了原子分辨的金剛石晶界結構轉變和遷移過(guò)程的原位觀(guān)測，揭示了金剛石非共格孿晶界(ITB)的結構特征、原子遷移和界面穩定化的微觀(guān)機制。研究成果于2024年1月3日在線(xiàn)發(fā)表于《自然》雜志（論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06908-6，Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond）。

納米孿晶金剛石中{112}非共格孿晶界的結構轉變。a，納米孿晶金剛石中典型晶粒形貌；b-e，位錯介導的界面結構轉變。

業(yè)已證明，納米孿晶化是協(xié)同提高材料強度和韌性的有效手段和策略。通常，在面心立方結構材料當中形成大量共格孿晶界的同時(shí)，不同取向孿晶之間將伴隨著(zhù)Σ3{112} ITB的形成。在金屬材料中，這種ITB界面可長(cháng)距離遷移，遷移速度在納米尺度隨孿晶厚度減小而迅速增大，誘發(fā)材料去孿晶化的發(fā)生，這也是納米孿晶結構金屬材料在小于臨界孿晶厚度發(fā)生軟化的關(guān)鍵機制。但是，納米孿晶立方氮化硼和納米孿晶金剛石在納米尺度卻持續硬化，這一點(diǎn)與金屬材料完全不同。這表明共價(jià)材料中Σ3{112} ITB穩定性要明顯高于金屬材料。探明這種高穩定性的物理起源，對于理解納米孿晶金剛石的持續硬化機制、發(fā)展高性能納米孿晶結構材料具有重要的科學(xué)意義。

為此，研究人員使用球差校正掃描透射電子顯微鏡系統地研究了納米孿晶金剛石Σ3{112} ITB的界面結構，并借助電子輻照荷電效應所產(chǎn)生的機械應力，原位記錄了室溫下ITB界面的結構轉變和遷移的動(dòng)態(tài)過(guò)程。實(shí)驗發(fā)現：納米孿晶金剛石中的Σ3{112} ITB呈現6種構型，其中3種為鏡面對稱(chēng)，3種為非鏡面對稱(chēng)；鏡面對稱(chēng)構型可以進(jìn)行長(cháng)距離快速遷移，與金屬材料類(lèi)似；而非鏡面對稱(chēng)構型則以剪切耦合模式進(jìn)行短距離遷移；在應力作用下，雖然不同構型的ITB可以通過(guò)位錯介導機制相互轉變，但非對稱(chēng)構型與對稱(chēng)構型之間轉變的勢壘較高；納米孿晶金剛石中Σ3{112} ITB主要以低能量、低遷移率的非對稱(chēng)構型存在，即便在孿晶厚度低至約1 nm時(shí)依然如此，從而導致了納米孿晶金剛石的持續硬化行為。結合旋進(jìn)電子衍射和分子動(dòng)力學(xué)模擬結果，研究人員發(fā)現界面結構轉變所需的激活應力接近于金剛石中全位錯啟動(dòng)所需的臨界剪切應力，從而揭示了納米孿晶金剛石中Σ3{112} ITB高穩定性的結構起源。

這項工作不僅揭示了晶界的構型、相變和遷移與材料化學(xué)鍵類(lèi)型的關(guān)聯(lián)，而且還加深了人們對納米孿晶金剛石持續硬化行為的理解。該工作得到國家自然科學(xué)基金(U20A20238, 52288102, 52090020, 91963203)、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2018YFA0703400, 2018YFA0305904)、河北省自然科學(xué)基金(E2022203109）等項目的資助。仝柯博士后、張祥和李子鶴博士為共同第一作者，胡文濤研究員、徐波教授和田永君院士為共同通訊作者。（編輯 褚玉晶）