在纳米晶材料的晶粒生长、再结晶和塑性变形过程中，经常观察到近刚体晶粒旋转。尽管经过几十年的研究，晶粒旋转的主要机制仍然是个谜。
2024年10月3日，美国加州大学潘晓晴、香港大学David J. Srolovitz及香港城市大学韩健共同通讯在 Science在线发表题为 “Grain rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt thin films”的研究论文， 该研究表明，在铂薄膜中，晶粒旋转是通过沿晶界的断续运动(具有阶梯和位错特征的线缺陷)发生的。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与晶粒生长或收缩之间的统计相关性。这种相关性源于剪切耦合晶界迁移，这是通过断开运动发生的，正如原位高角度环形暗场STEM观测和原子模拟辅助分析所证明的那样。 这些发现为纳米晶体材料的结构动力学提供了定量的见解。
多晶材料是具有不同晶格取向的晶体的集合体。在微观结构演化过程中，晶(即晶粒)发生近刚体旋转。 在多晶材料中，特别是在纳米晶材料中，在再结晶、塑性变形和晶粒生长过程中，已经广泛观察到这种晶粒旋转。晶粒旋转极大地影响微观组织演变[例如，改变晶粒生长动力学并控制织构演变。
近刚体晶粒旋转已被描述为各种晶界(GB)介导的过程，如GB位错爬升、GB扩散、GB滑动、偏斜偶极动力学和剪切耦合GB迁移。 虽然每种机制都可能在特定的限制条件下发生，但哪种GB过程最常主导刚体晶粒旋转仍然存在争议，特别是对于具有高角度GB的晶粒。由低角度GB划分的晶粒旋转可以用GB位错爬升来描述。这种描述不适用于更常见的非特殊的高角度GB，因为GB位错没有很好地定义。在GB扩散模型中，远距离质量输运具有速率限制，因此不适用于广泛观察到的金属在室温下的快速晶粒旋转。
GB同步迁移与晶粒旋转的原位观测（图源自Science）
虽然双晶中可能发生GB滑动，但多晶中的三结(TJs)严重限制了滑动。剪切耦合GB迁移可以解释涉及大角度GB的晶粒旋转。剪切耦合GB迁移的机制是断口在GB上的形核和扩展(断口是具有阶梯和位错特征的GB线缺陷)。 然而，没有实验证据支持断开运动和晶粒旋转之间的相关性，尽管现象学理论已经提出了通过断开运动实现刚体晶粒旋转的可能性。为了揭示晶粒旋转的主导机制，需要在原子尺度和统计水平上建立多晶样品中断开活性与晶粒旋转的定量关联。
在这里，作者提供了直接的多尺度证据，证明晶粒旋转是通过纳米晶体薄膜材料中GBs上的断开传播发生的。原位加热4DSTEM研究统计表明，晶粒旋转在晶粒生长过程中广泛发生，这与纳米晶材料中的GB迁移密切相关。原子尺度的原位HAADF-STEM观测表明，晶粒旋转与GB迁移之间的耦合源于断开运动，断开运动导致沿GB的剪切并驱动晶粒旋转。 这些发现证明了断裂在决定纳米晶材料微观结构演变的性质和行为中的关键作用，并为微观结构动力学和GB工程的理解提供了新的见解。
据不完全统计，潘晓晴教授为通讯作者已在 Nature或 Science发表7篇正刊，具体如下：
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编辑| Albertz；作者 | iNature返回搜狐，查看更多
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