PNAS：晶界上原來也有拓撲相變

引言

2016年的諾貝爾物理學獎授予了Thouless, Haldane和Kosterlitz，來表彰他們在拓撲相變上的貢獻。拓撲的概念，也在物理學中越來越重要。

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及其合作者，通過統計物理模型和動力學蒙特卡洛模擬，發現了晶界上也存在拓撲相變，并說明了拓撲相變對晶界動力學、形態和超塑性的影響。

晶界上的位錯影響著晶界和多晶材料的許多動力學特性。陳孔韜等證明，晶界上發生了有限溫度拓撲相變。在相變溫度以上，位錯之間的長程相互作用被屏蔽。這個相變導致晶界遷移速度、 滑動速度和roughness的突然變化。陳孔韜等通過平均場理論、重正化群理論和動力學蒙特卡羅模擬來分析這種拓撲相變，并研究這種相變如何影響介觀尺度現象，如晶粒生長停滯、異常晶粒生長和超塑性。

圖文導讀

圖1動力學蒙特卡洛模擬中的晶界拓撲相變。來源：PNAS

圖2晶粒生長停滯尺寸的溫度依賴性。來源：PNAS

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://doi.org/10.1073/pnas.2017390117

本文由記者林旻投稿。