材料科学的新突破：超级材料的原子秘密，晶界相的发现

超级耐用材料的原子秘密正在被揭开。一项新研究揭示了晶界对材料的影响，展示了铁含量如何改变二十面体结构并影响材料属性。通过显微镜和模拟，研究人员致力于设计具有改进耐用性的材料。
大多数技术材料具有多晶结构，意味着它们由多个晶体组成，原子在其中以规则的晶格排列。这些晶体在材料中并不是完全同向的，它们之间的界面被称为晶界。

“这些晶界对材料的耐用性和整体性能有着巨大的影响，”该研究的显微镜工作负责人Dr. Vivek Devulapalli解释说。他补充说，“但我们对于元素在晶界处的分离以及它们如何影响材料属性的理解非常有限。”
这项研究的突破在于能够在原子层面观察和模拟这些结构。通过结合高分辨率扫描透射电子显微镜和先进的计算机模拟，研究人员能够以前所未有的细节研究晶界。新开发出的预测算法准确地再现了观察到的晶界结构，使研究人员能够更有效地分析它们。
“我们的模拟显示，对于不同的铁含量，我们总是发现笼子结构作为不同晶界相的基本构建块。随着晶界处铁水平的增加，更多的二十面体单元出现并最终聚集，”来自斯坦福大学的Dr. Enze Chen解释说。在这个上下文中，二十面体是一种几何形状，有12个顶点（被原子占据的点）和20个面。
“我们已经识别出同一种边界的五种以上不同的结构或晶界相，它们都是由相同的二十面体笼子单元的不同排列组成的，”领导该研究计算工作的Dr. Timofey Frolov补充说。对笼子结构的仔细检查揭示了原子采用二十面体排列，铁原子位于二十面体的中心，钛原子占据其顶点。
“二十面体笼子使得铁原子能够密集堆积，并且由于它们可以形成非周期性团簇，晶界处可以容纳超过两到三倍的铁量，”Devulapalli解释说。“看起来铁被困在类似准晶体的晶界相中，”Chen补充说。
“这归因于二十面体笼子的属性，”Liebscher说，“我们现在需要找到方法来研究它们如何影响界面属性，从而影响材料行为。”

理解和控制具有不同结构和属性的二十面体晶界相的形成，有可能被用来定制材料的属性。研究人员现在希望系统地研究如何利用这些新的晶界状态来调整材料行为，调整某种材料功能，并使材料更具抗降解能力。

这项研究为我们提供了深入理解材料晶界如何影响其性能的新视角。随着对二十面体结构和晶界相的进一步研究，我们有望开发出更耐用、更可靠的材料，这对于工业制造、航空航天和许多其他领域都具有重要意义。我们邀请您在评论区分享您对这项技术的看法，以及它可能对材料科学和工程领域带来的影响。
参考资料：DOI： 10.1126/science.adq4147