潘曉晴最新Science，揭示納米晶材料中的晶粒旋轉機制！

一、【科學背景】

多晶材料是具有不同晶格取向的晶粒的聚集體。在微觀結構演變過程中，晶粒經歷了近乎剛體的旋轉。在多晶材料中，尤其是納米晶材料中的再結晶、塑性變形和晶粒生長過程中，已廣泛觀察到近剛體晶粒旋轉。晶粒旋轉極大地影響了微觀結構的演變（例如改變了晶粒生長動力學），并控制了織構的演變。近剛體晶粒旋轉已經根據各種晶界（GB）介導的過程進行了描述，例如GB位錯爬升、GB擴散、GB滑動、盤狀偶極子動力學和剪切耦合GB遷移。盡管經過了幾十年的研究，晶粒旋轉的主要機制仍然是個謎。

二、【創新成果】

基于此，美國加州大學爾灣分校潘曉晴教授、香港大學David J. Srolovitz和香港城市大學韓健教授等人在Science發表了題為“Grain rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt thin films”的論文，揭示了晶粒旋轉在鉑（Pt）薄膜中是通過沿晶界的斷開（具有階梯和位錯特征的線缺陷）運動而發生的。研究人員利用最先進的原位四維掃描透射電子顯微鏡（4D-STEM）觀察揭示了晶粒旋轉和晶粒生長或收縮之間的統計相關性。這種相關性來自于剪切耦合的晶界遷移，這是通過斷開運動發生的，通過原位高角環形暗場STEM觀測和原子模擬輔助分析來證明。本研究不僅為多晶中近剛體晶粒旋轉提供了定量見解，還展示了多尺度原位TEM在解決關于原位TEM研究對原子尺度機制的代表性的爭論方面的巨大潛力。

圖1 ?同時進行的GB遷移和晶粒旋轉的原位觀察 ? 2024 AAAS

圖2 ?斷開運動和顆粒旋轉的同步原子尺度觀測 ? 2024 AAAS

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圖3 ?晶粒同時生長和旋轉的微觀結構尺度觀察 ? 2024 AAAS

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三、【科學啟迪】

綜上，本研究提供了直接的多尺度證據，表明晶粒旋轉是由納米晶薄膜材料中GB上的斷開傳播引起的。原位加熱4D-STEM研究從統計學上證明，在晶粒生長過程中，晶粒旋轉廣泛發生，這與納米晶材料中的GB遷移密切相關。原子尺度原位HAADF-STEM觀測表明，晶粒旋轉和GB遷移之間的耦合源于斷開運動，這導致沿GB的剪切并驅動晶粒旋轉。這些發現證明了斷開運動在決定納米晶材料微觀結構演化的性質和行為方面的關鍵作用，并為理解微觀結構動力學和GB工程提供了新的見解。

原文詳情：Grain rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt thin films (Science 2024, 386, 49-54)

本文由大兵哥供稿。