新材料研究看到了原子水平的轉(zhuǎn)變

當(dāng)制造技術(shù)將金屬、陶瓷或復(fù)合材料轉(zhuǎn)化為技術(shù)上有用的形式時(shí)，了解相變過(guò)程的機(jī)制對(duì)于塑造這些高性能材料的行為至關(guān)重要。然而，實(shí)時(shí)看到這些轉(zhuǎn)變是很困難的。

由Thomas J. Watson 工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院機(jī)械工程系和賓厄姆頓大學(xué)材料科學(xué)項(xiàng)目的周廣文教授領(lǐng)導(dǎo)的《自然》雜志上的一項(xiàng)新研究使用透射電子顯微鏡 (TEM) 來(lái)觀察原子水平上的氧化物到金屬的轉(zhuǎn)變。特別令人感興趣的是在多相材料的界面處始終存在的錯(cuò)配位錯(cuò)，并且在決定結(jié)構(gòu)和功能特性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

周的學(xué)生孫先虎和吳東翔是該論文的第一作者(“位錯(cuò)誘導(dǎo)的界面轉(zhuǎn)變的停走動(dòng)力學(xué)”)。孫最近完成了他的博士論文，吳是博士生。其他貢獻(xiàn)者包括鄒連峰，12級(jí)碩士，17級(jí)博士，現(xiàn)為燕山大學(xué)教授，博士研究生陳曉波;匹茲堡大學(xué)斯旺森工程學(xué)院Judith Yang教授、訪(fǎng)問(wèn)研究助理Stephen House教授和博士后研究員Meng Li;和來(lái)自能源部 (DOE) 布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)用戶(hù)設(shè)施辦公室功能納米材料中心的科學(xué)家 Dmitri Zakharov 。

周說(shuō)，利用先進(jìn)的技術(shù)，“制造商可能能夠控制現(xiàn)有材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能，并設(shè)計(jì)出新型材料。這項(xiàng)研究有一些實(shí)際意義，但也有根本意義。”

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了氧化銅向銅的轉(zhuǎn)化。在原子尺度上直接觀察這種界面轉(zhuǎn)變具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗粌H需要能夠訪(fǎng)問(wèn)掩埋界面，而且還需要應(yīng)用化學(xué)和熱刺激來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變。

通過(guò)使用能夠?qū)錃庖腼@微鏡以驅(qū)動(dòng)氧化物還原同時(shí)進(jìn)行 TEM 成像的環(huán)境 TEM 技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)能夠以原子方式監(jiān)測(cè)界面反應(yīng)。令人驚訝的是，研究人員觀察到從氧化銅到銅的轉(zhuǎn)變以間歇性方式發(fā)生，因?yàn)樗诲e(cuò)配位錯(cuò)暫時(shí)停止，這種行為類(lèi)似于由交通信號(hào)燈調(diào)節(jié)的走走停停過(guò)程。

“這是出乎意料的，因?yàn)椴牧涎芯拷缃邮艿某ＷR(shí)是界面位錯(cuò)是促進(jìn)轉(zhuǎn)變而不是延遲轉(zhuǎn)變的位置，”周說(shuō)。

為了了解發(fā)生了什么，吳開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)代碼來(lái)解釋他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中看到的情況。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)建模之間的這種來(lái)回過(guò)程幫助團(tuán)隊(duì)了解錯(cuò)配位錯(cuò)如何控制相變所需的原子的遠(yuǎn)程傳輸。

“在原子水平上，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)建模之間的這種循環(huán)、迭代過(guò)程是材料研究的一個(gè)令人興奮的方面，”周說(shuō)。

基本信息可用于設(shè)計(jì)新型多相材料和控制其微觀結(jié)構(gòu)，可用于多種應(yīng)用，例如承重結(jié)構(gòu)材料、電子制造和清潔能源生產(chǎn)和環(huán)境可持續(xù)性的催化反應(yīng)。

在 Binghamton 收集初始數(shù)據(jù)后，Sun 和研究團(tuán)隊(duì)在 Pitt 和 Brookhaven 的設(shè)備上重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，這些設(shè)備具有不同的能力。