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一、【導讀】

大多數材料是多晶的，這意味著它們是由大量不同大小和取向的晶粒組成的。這些晶粒的特征和排列以及晶粒之間的晶界是決定材料性能的基礎（如塑性）。在粗晶金屬和合金中，塑性最典型地由位錯的成核和滑動(線性晶格缺陷)維持。這種行為伴隨著晶格旋轉和加工硬化，這是由于變形過程中位錯的儲存而發生的。在納米顆粒金屬中，塑性的來源尚不清楚，實驗和模擬表明了一系列可能的替代機制，其中許多與晶界介導的變形有關，包括晶界滑動，晶界遷移和晶粒輪轉，通常這些僅對小于10~15納米的晶粒尺寸比較重要。在變形的納米顆粒中仍然經常觀察到位錯、層錯和變形孿晶，這表明某種形式的位錯介導的塑性變形在納米尺度上仍然活躍。粗晶金屬和納米顆粒金屬變形的另一個區別是，常規粗晶材料的塑性應變通常是不可恢復的。相比之下，在納米晶鋁和金中直接觀察到大量的塑性應變隨時間的恢復，在納米晶鎳中也間接觀察到卸載過程中X射線衍射峰展寬的逆轉。另一種研究塑性變形的直接方法，是通過跟蹤多晶樣品的三維(3D)體積內單個晶粒的取向變化，這在實驗上具有挑戰性。對于粗晶金屬，這是通過X射線同步輻射方法實現的。對于納米顆粒樣品，以前的觀察僅限于二維測量，例如對柱狀納米顆粒鈀的測量，其中有報道稱卸載時單個顆粒旋轉的逆轉。最近在透射電子顯微鏡(3D- OMiTEM)中進行三維定向測繪技術的進展允許現在對樣品內數百個納米顆粒的形狀和晶體取向進行快速、非破壞性的3D成像。

二、【成果掠影】

重慶大學黃曉旭教授、吳桂林教授和清華大學Andrew Godfrey教授團隊利用透射電子顯微鏡的三維定向映射（3D-OMiTEM）技術，通過在原位納米力學測試前后，跟蹤壓縮前后的晶粒取向，提供了納米鎳中近300個納米顆粒在壓縮過程中的單個晶格旋轉數據。許多較大尺寸的顆粒經歷了意想不到的晶格旋轉，這主要是因為卸載過程中的旋轉逆轉。這種固有的可逆旋轉源于背應力驅動的位錯滑移過程，更傾向于發生在較大的晶粒中。這些結果為納米顆粒金屬的基本變形機制提供了見解，并將有助于指導材料設計和工程應用。相關研究成果以“3D microscopy at the nanoscale reveals unexpected lattice rotations in deformed nickel”發表在國際期刊Science上。

三、【核心創新點】

該項研究利用非破壞性方法3D-OMiTEM技術跟蹤了在三維空間中納米尺度塑性變形過程中伴隨著位錯滑動引起的晶格旋轉。

四、【數據概覽】

圖1納米鎳變形誘導結構變化的3D-OMiTEM表征? 2023 AAAS

圖2納米鎳中變形誘導晶體旋轉的定量研究? 2023 AAAS

圖3原位透射電鏡觀察顯示納米顆粒的可逆旋轉? 2023 AAAS

圖4納米鎳的變形機理? 2023 AAAS

五、【成果啟示】

總之，該項研究利用透射電子顯微鏡的三維定向映射技術基于變形循環跟蹤多晶鎳中的晶粒，發現這些晶粒不僅在兩個方向上旋轉，而且有時還經歷晶格的內部旋轉。這種晶格旋轉，更傾向于發生在較大的晶粒中，并且是由于一種稱為背應力的現象，該現象驅動產生旋轉的位錯滑移。我們期望這些觀察結果與應變工程以及由金屬制成的微尺度和納米尺度機電系統聯系起來，因為嚴格的尺寸控制很重要。該研究結果還強調了在納米尺度上以非破壞性的方式繪制三維微觀結構對于理解納米材料的塑性變形的重要性。這里使用的3D-OMiTEM方法適用于廣泛的納米顆粒金屬，可用于同時繪制初始尺寸小至幾納米的納米顆粒集成的晶體學和形態學特征，允許對其變形(或暴露于其他外部場(如加熱)期間的演變進行統計分析。此外，這種3D測量提供的數據格式可以直接與先進的塑性模型(如分子動力學模擬和晶體塑性有限元建模)相結合，以促進對納米顆粒金屬的3D微觀結構演變和塑性的更深入理解。

原文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj2522

本文由小藝撰稿