一个国际研究小组利用最先进的显微镜和模拟技术，系统地观察了铁原子如何改变钛晶界的结构。他们的研究结果于 2024 年 10 月 25 日发表在《科学》杂志上。

他们大吃一惊：“铁原子不仅偏向界面，而且形成了完全出乎意料的笼状结构，”鲁尔联盟大学未来能源材料与系统研究中心的 Christian Liebscher 教授解释道。研究人员没有预料到会出现这样的行为。

一种新型的隔离行为

大多数技术材料都具有多晶结构：它们由不同的晶体组成，其中原子排列成规则的晶格。这些晶体并非处处都具有相同的方向，分隔它们的界面称为晶界。

“这些晶粒边界对材料的耐久性和整体性能有着巨大的影响，”负责这项研究的显微镜工作的 Vivek Devulapalli 博士说。“但我们对元素分离到晶粒边界时会发生什么以及它们如何影响材料特性的了解非常有限。”

成功的关键在于以原子分辨率观察和建模结构。研究人员将原子分辨率扫描透射电子显微镜的结果与先进的计算机模拟联系起来。一种新的晶界结构预测算法能够生成实验观察到的结构并能够研究它们的结构。

“我们的模拟表明，对于不同的铁含量，我们总是发现笼状结构是不同晶界相的底层构造块。随着晶界处铁含量的增加，会出现更多的二十面体单元并最终聚集在一起，”斯坦福大学的陈恩泽博士解释说。二十面体是一种几何物体，有 12 个角或顶点(在这种情况下由原子占据)和 20 个平面。

领导这项研究的计算工作的 Timofey Frolov 博士补充道：“我们已经确定了同一边界上的五种以上不同结构或晶界相，它们全部由相同二十面体笼单元的不同排列组成。”

准晶体状晶界相

仔细观察笼状结构后发现，原子呈二十面体排列，铁原子位于二十面体的中心，钛原子位于其顶点。“二十面体笼状结构使铁原子能够紧密堆积，而且由于它们可以形成非周期簇，因此晶粒边界可以容纳两到三倍以上的铁，”德维拉帕利解释道。

“看起来好像铁被困在准晶体状的晶界相内，”陈补充道。

“这归因于二十面体笼的特性，”Liebscher 说，“我们现在需要找到方法来研究它们如何影响界面特性和材料行为。”

材料设计的新途径

了解和控制具有不同结构和性质的二十面体晶界相的形成可能有助于调整材料的性能。

研究人员现在想要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，并使材料更能抵抗降解过程。