PNAS：晶界遷移率原來是張量

引言

大多數金屬是晶體，這意味著它們的原子周期性地排列在晶格中。完美的晶體將始終具有相同的周期性結構。但大多數晶體由不同的晶粒組成，這些晶粒均具有相同的原子結構，但彼此的取向不同。

材料學家特別關心這些晶粒之間邊界（晶界），因為晶界本質上是缺陷，在晶界中更可能發生腐蝕或其他形式的損壞。了解材料在受到外力作用時晶界如何移動，是材料微結構工程的基礎。

成果簡介

美國賓夕法尼亞大學陳孔韜博士和香港城市大學David?Srolovitz團隊合作，通過位錯的統計物理模型和分子動力學模擬，說明了晶界動力學里最重要的系數----晶界遷移率，應該是一個二階對稱張量，而不是目前科學家普遍認為的標量。

晶界遷移率是把晶界速度和驅動力聯系起來的關鍵。雖然晶界速度通常被認為是晶界沿著法向的運動速度，晶界上下的晶粒也會相對滑移，所以，晶界速度是一個向量。晶界運動可以被晶界上下的化學勢差所驅動，也可以被切應力所驅動，所以，晶界上的驅動力也是一個向量。因此，做為速度和驅動力的比例系數，晶界遷移率必須是一個張量。通過對一個銅的晶界的分子動力學模擬，陳孔韜等發現，晶界遷移率張量的所有分量都不是0。其中一些分量隨著溫度上升而增加，另一些隨著溫度上升而下降。陳孔韜等提出了一種基于位錯的統計模型，說明了在一個臨界溫度以下，晶界遷移率和溫度遵守阿倫尼烏斯方程，而在臨界溫度以上，晶界遷移率正比于溫度的倒數。這個臨界溫度由位錯的能量決定。對于一個晶界，哪個位錯發揮主導作用，取決于驅動力的類型和我們研究的晶界遷移率分量。最后，陳孔韜等研究了晶界遷移率張量如何影響了經典晶粒生長理論，并說明了晶界運動帶來的應力會降低晶界遷移率和晶粒生長速度。

圖文導讀

Figure 1晶界分子動力學模擬的示意圖

Figure 2晶界遷移率張量的各個分量的溫度依賴性

Figure 3晶粒生長中，晶粒大小、切變隨時間的演化

第一作者介紹

陳孔韜，賓夕法尼亞大學博士，師從美國工程院院士David Srolovitz，用統計物理、分子動力學、蒙特卡洛模擬等方法研究晶界動力學。曾獲Acta Student Award (結構材料學頂級刊物Acta Materialia的年度最佳學生論文獎)，President Gutmann Leadership Award (賓夕法尼亞大學授予頂尖研究生的獎項)，擔任Materials & Design等期刊審稿人，并受邀在美國麻省理工學院、法國里爾大學、美國勞倫斯伯克利國家實驗室等進行學術報告。以第一作者在PNAS、Acta Materialia等發表多篇論文，并被Justdial.com, Phys.org等國際媒體報道。

參考文獻

https://www.pnas.org/content/117/9/4533.short

本文由記者林旻投稿。