静磁场重构固/液界面能：上海大学任忠鸣和帅三三团队在《Acta Materialia》发文，实现晶体形态的可编程生长

上海大学拥有世界领先的19.2 T超导磁体系统（磁场梯度高达1300 T²·m⁻¹），并原创发展了磁耦合相场晶体(MPFC)理论。依托这一稀缺平台和原创理论工具，科学家发现静磁场可以直接“重构”固/液界面的能量分布，让晶体按照预设的对称性生长——将磁场从“加工参数”提升为“热力学设计变量”。

长期以来，材料科学界普遍认为：固/液界面能的各向异性——即界面能随晶体取向变化的特性——是一种由晶体对称性和热力学状态（成分、温度）决定的固有材料常数，无法在外界干预下主动改变。然而，一项由上海大学主导、依托该校世界级19.2 T超导磁体系统、联合多国凝聚态物理与数值计算科学家完成的最新研究，彻底颠覆了这一传统认知。

研究团队发现，静态强磁场可以直接、可逆地重构固/液界面能的各向异性，从而在热力学平衡状态下实现对晶体生长形态的精准“编程”。该成果于近日发表于材料科学领域顶级期刊《Acta Materialia》。上海大学为第一单位，助理研究员黄成林为论文第一作者，任忠鸣教授、帅三三教授以及美国奥克兰大学Ken Elder教授为共同通讯作者。论文合作团队还包括上海大学玄伟东教授、胡涛副教授，德国耶拿大学Peter Galenko教授、德累斯顿工业大学Rainer Backofen博士，华东师范大学杨洋教授、西北工业大学王雷教授以及英国伦敦大学学院范贤强博士。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122606

图1.论文首页

团队领军人：任忠鸣教授与电磁冶金三十载

本研究的通讯作者之一、上海大学任忠鸣教授是我国电磁冶金领域的开拓者之一。三十余年来，他带领团队深耕磁场下材料制备与加工研究，从早期的磁场抑制对流、细化晶粒、热电磁效应以及磁致过冷，到如今发现磁场可直接重构界面能各向异性，完成了一次从“间接影响”到“直接调控”的认识飞跃。

任忠鸣教授团队长期致力于强磁场下材料制备的基础科学与工程应用研究，先后承担国家自然科学基金重大项目、国家“863”计划、国家重点研发计划等多项重大课题。团队自主建立的19.2 T超导磁体平台，历经多年建设和优化，已成为国内乃至国际材料电磁加工领域最具影响力的研究设施之一。正是这三十年的坚守与积累，才使得本次突破成为可能。

世界级强磁场平台：19.2 T超高场+ 1300 T²·m⁻¹超高梯度

本研究所使用的核心设备是上海大学从英国牛津仪器(Oxford Instruments)引进的19.2 T超导磁体系统。该系统拥有82 mm室温孔径，在14 mm中心区域内磁场均匀度高达0.1%，可在0至19.2 T范围内连续可调。更值得一提的是，该系统能够产生高达1300 T²·m⁻¹的磁场梯度——这一指标在全球同类科研级超导磁体中处于顶尖水平。

高磁场梯度意味着系统可以对材料施加极强的磁化力，从而在不接触的情况下操控原子尺度或纳米尺度的结构演变。在本研究中，团队主要利用均匀磁场区域（梯度极小）来研究纯热力学效应下的界面能重构，避免了梯度力的干扰。但1300 T²·m⁻¹的超高梯度能力为未来研究磁场梯度驱动的相变、磁分离以及微纳尺度定向输运等方向提供了独一无二的实验条件。

正是依托这一稀缺设施，研究团队能够精确控制磁场强度，系统研究平衡液滴形状和界面能各向异性的磁场依赖性。实验中所使用的最高15 T磁场仅占设备最大能力的78%，为未来更高场下的探索留下了充分余量。该平台不仅支撑了本次基础研究的突破，也为后续更多材料体系的磁场调控研究提供了开放共享的硬件基础。

图2. 19.2 T/1300 T²·m⁻¹超导磁体实验平台

从“被动接受”到“主动设计”：平衡液滴形状揭示对称性破缺

界面能各向异性是决定材料形核、生长和微观组织选择的“底层代码”。传统上，工程师只能通过改变温度梯度、冷却速度或添加合金元素来间接调控组织，而界面能本身被视为不可触碰的“天花板”。

这项研究证明：静磁场可以成为一个全新的“控制旋钮”。研究团队采用改进的平衡形状法(Improved Equilibrium Shape Method, IESM)，液滴尺寸在~20微米可以完全排除磁致对流对平衡形貌的影响，以典型的Al-Cu合金为模型体系，分别考察了弱各向异性（α-Al固溶体，面心立方结构）和强各向异性（Al₂Cu金属间化合物，C16型四方结构，空间群I4/mcm）两种固/液界面。

在α-Al 中，零场下平衡液滴在 (100) 和 {010} 晶面族上均呈现近圆形轮廓，符合面心立方晶格的四重对称性。施加磁场后，{010}晶面上，四重对称性显著坍缩为二重对称性，液滴沿单一轴向拉长，演变为椭圆形平衡形状；而在 (100) 晶面上，四重调制反而增强，产生带尖角的方形轮廓。

在 Al₂Cu 中，磁场诱导了更强烈的对称性破缺： {010} 晶面上的平衡液滴从弱椭圆演变为高度拉长的 “ 哑铃形 ” ，二重各向异性分量增强近一个数量级；而 (100) 晶面则出现多重小面化特征。

通过三维X射线显微层析成像(X-ray micro-computed tomography)，团队首次在三维空间重建了磁场作用下的液滴平衡形态，测量了沿⟨001⟩、⟨010⟩和⟨100⟩方向的等效直径变化，证实这种对称性破缺是体效应，而非二维截面的假象。研究同时排除了磁流体动力学(MHD)干扰——液滴尺寸约10 μm，磁雷诺数远小于1，平衡时间远超热质扩散时间，确保观测形态反映的是热力学平衡下的界面能重构。

原创理论工具：磁耦合相场晶体(MPFC)模型——从原子磁力矩到枝晶形态的跨尺度预测

实验现象背后是什么物理机制？磁场究竟如何“改写”界面能？为了回答这些根本问题，研究团队原创发展了一套磁耦合相场晶体(Magnetically Coupled Phase-Field Crystal, MPFC)模型。

这是国际上首个将磁场与固/液界面处原子密度梯度直接耦合的相场晶体理论框架。其核心创新在于：在自由能中引入了一个对称性允许的最简耦合项。这一项首次从热力学层面揭示了：磁场会产生一个“磁力矩”，使界面处的原子密度波沿磁场方向排列，从而选择性地增强或抑制特定晶体取向的界面刚度。

图3.磁耦合晶体相场（MPFC）理论模型及磁场调控机制

从界面能到三维枝晶：定量预测与实验验证的完整闭环

研究团队进一步将MPFC重构的磁场依赖界面能直接注入三维定量相场模型（采用薄界面(thin-interface) formulation），实现了对枝晶生长的定量预测。相场模拟中，磁场仅通过重构的界面能各向异性进入模型，所有体热力学与动力学参数保持不变。模拟采用与实验完全相同的合金成分（Al-28wt.%Cu和Al-40wt.%Cu）、冷却速率（2.28 °C/min）以及等温凝固条件。

图4.磁场诱导界面能各向异性调控晶体形貌机制

关键预测结果如下：

• 对于弱各向异性的α-Al：零场下，使用本征各向异性参数时，相场模拟呈现“海藻状”(seaweed-like)弱有序形态，对应于近各向同性界面能。当施加对应于15 T磁场的重构各向异性时，模拟预测枝晶发生剧烈转变，形成高度有序的四重对称“圣诞树状”(Christmas-tree)枝晶。该预测结果与三维X射线断层扫描实验观测到的枝晶形貌完全吻合
• 对于强各向异性的Al₂Cu：零场下，模拟得到稳定的板条状(plate-like)枝晶，反映其本征的二重各向异性。在强磁场下，界面能量景观演变为高度拉长的“花生形”(peanut-shaped)分布，模拟预测枝晶保持层状拓扑但二重性增强，方向对比度更锐利。实验三维重构的Al₂Cu枝晶同样表现出相同的演化趋势。

这一“理论预测→实验验证”的完整闭环，证明了磁场重构的界面能各向异性不仅是平衡液滴形态的决定因素，也是非平衡枝晶生长的普适控制参数。论文明确指出：“枝晶形态以一对一的方式镜像了重构的界面能等高线”。该预测能力为未来按需设计磁场条件以定制微观组织提供了直接的工具。

图5.从界面能调控到晶体形貌预测的多尺度理论框架

未来展望：可编程的微观组织与开放共享

这项工作最深远的意义在于：它将微观组织选择从“固有属性”的桎梏中解放出来。论文结论指出：“磁场诱导对称选择性各向异性重构，界面刚度变得方向可调，枝晶形态由重构的能量景观决定性地控制。”原则上，通过设计磁场的方向和强度，可以在不改变合金成分和温度的条件下，定向“编程”出所需形貌——例如，拉长的板条状组织以提高高温蠕变抗力，或高度对称的十字形组织以优化电磁屏蔽性能。

本研究使用的19.2 T超导磁体系统（梯度1300 T²·m⁻¹）不仅圆满完成了当前15 T以下的实验，其高达19.2 T的上限能力和超高梯度能力，为未来探索更高磁场下的新物理现象（如磁饱和后的二次调控效应）以及梯度驱动的界面动力学提供了直接通道。该平台现已面向国内外开放共享，欢迎从事材料电磁加工、凝固科学、软物质物理、磁流体力学等领域的研究团队合作使用。

虽然当前实验使用了最高15 T的强磁场，但理论指出存在一个临界饱和场，低于该场时各向异性随磁场快速增强。未来通过材料设计（如微量掺杂磁性元素）可能显著降低所需磁场强度，但上海大学19.2 T平台的存在，使得研究团队可以直接在更宽、更高的场区验证理论极限，这是普通磁场设备无法替代的优势。

该工作得到了国家自然科学基金（No.52271035）、上海市经信委工业强基计划（GYQJ-2023-1-06）以及美国国家科学基金会（DMR-2006456）的资助。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

近期学术会议推荐

欢迎留言，分享观点。点亮❤