原位电镜+分子动力学模拟，原子尺度观察台阶主导的晶界迁移

晶界迁移（grain boundary migration）是多晶和纳米晶材料中的一种常见的塑性变形行为，深入研究其作用机制对调控材料的力学性能具有重要的理论意义。之前的研究广泛报道了切应力作用下的晶界迁移（shear-coupled GB migration）现象，逐步发展了相应的理论模型，提出了较为普适的disconnection主导的晶界迁移机制，并在分子动力学模拟中得到了证实和完善。

然而，受制于现有的实验技术手段，实时观测应力作用下晶界处原子结构的动态演变过程仍然面临着巨大的挑战，极大地限制了人们对于材料塑性变形过程中晶界机制的系统研究和深入理解。因此，亟需开发新的实验方法，为建立完整的晶界变形理论提供有力的实验依据，进而也为改善材料的力学性能提供了新思路。

浙江大学硅材料国家重点实验室张泽院士、王江伟研究员与加拿大曼尼托巴大学 ChuangDeng教授、美国匹兹堡大学S.X. Mao教授等合作在Nature Communications发表了研究成果《原位原子尺度观察台阶主导的晶界迁移》（In situ atomistic observation of disconnection-mediated grain boundary migration）。

研究人员利用先进的原位电镜技术及分子动力学模拟，从原子尺度揭示了切应力作用下disconnection机制主导的晶界迁移行为，进一步完善和发展了学术界对于晶界变形行为的认识，为通过晶界结构调控改善材料的力学性能提供了新思路。

基于现状，该课题组研究人员利用先进的球差校正电子显微镜结合力-电耦合原位样品杆通过巧妙的实验设计发展出一种独特的原位制样和力学实验方法，高质量地制备出多种包含不同类型晶界的金属纳米结构，并通过精确控制原位样品杆的可动端，实现了稳定的原位剪切加载，同时借助高速相机实时捕捉变形过程中晶界结构的动态演变过程。

图1. 原子尺度观察Σ11(113)晶界上两种不同类型disconnection滑移导致的晶界迁移现象，并在分子动力学模拟中得到验证

首先以Σ11(113)晶界为模板从原子尺度上动态直观地揭示了通过disconnection的表面形核、滑移和交互作用实现的晶界迁移机制。

图2 Σ11(113)晶界在循环加载过程中通过disconnection机制实现往复迁移

紧接着在不同的大角度倾转晶界结构中验证了该迁移机制的普适性，并且发现其它晶界缺陷（如位错）对该迁移不产生明显的钉扎作用；同时，还在复杂晶界结构中揭示了disconnection的三叉晶界形核机制，完善了目前对于晶界变形行为的认识。

图3 Disconnection在复杂晶界结构塑性变形中的三叉晶界形核机制

进一步研究发现，由disconnection主导的晶界往复迁移可有效提高金属纳米结构在循环加载条件下的变形能力，为通过晶界结构调控改善材料的力学性能提供了新思路。

利用类似的原位制备技术和力学实验方法，该课题组还在原子尺度定量揭示了<111>取向的面心立方金属线在拉伸加载过程中由位错滑移主导的超塑性变形机制，相关成果以“Superplasticity in Gold Nanowires through the Operation of Multiple Slip Systems”为题发表在Advanced Functional Materials上。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-08031-x

Zhu Q, Cao G, Wang J, et al. In situ atomistic observation of disconnection-mediated grain boundary migration[J]. Nature communications, 2019, 10(1): 156.