王立华：求微得道，探寻原子层次真理

本期我们介绍的是北京工业大学材制学部王立华教授最新发表在Physical Review Letters 的文章Direct atomic-scale observation of ultrasmall Ag nanowires that exhibit fcc, bcc, and hcp structures under bendings 和发表在 Science 的文章Tracking the sliding of grain boundaries at the atomic scale

[Physical Review Letters 128, 015701]

[Science 375 6586 1261-1265]

论文简介

Direct atomic-scale observation of ultrasmall Ag nanowires that exhibit fcc, bcc, and hcp structures under bending

材料的晶体结构与材料的物理，力学性能直接相关。通常情况下，金属有三种晶体结构:面心立方结构（FCC）、体心立方结构（BCC）和密排六方结构（HCP），而在室温下往往只能表现出其中一种结构。寻求能够调控金属的晶体结构的方法，并揭示其相应的原子机理是调控金属材料的物理，力学性能的科学基础。利用课题组原创的原子分辨原位力学实验研究装置（已经专利转化：百实创(北京)科技有限公司），实现了对约5 nm银纳米线弯曲过程的原位原子尺度研究，发现可以通过弯曲变形，使得常规的FCC结构金属呈现出三种结构。原位原子尺度观察发现在弯曲应变下，银的晶体结构从初始的FCC到BCC，然后转化为HCP，最后进一步转变为FCC；而新形成的FCC结构与未发生相变的区域形成孪晶。该发现表明在不需要偏位错的情况下，可以通过相变导致孪晶形核，进一步加深了对小尺寸FCC金属变形机理的认识。

Tracking the sliding of grain boundaries at the atomic scale

如何在微观层面测量界面现象被《Science》确定为125个最前沿科学问题。晶界是晶体材料中最基础和最重要的界面之一，晶界塑性决定多晶材料中强度和韧性等基本力学性能。晶界滑动是晶界塑性的基本方式之一。理论上有很多晶界滑动模型，但存在巨大争论和不确定性。该论文利用课题组原创的原子分辨原位力学实验研究装置（已经专利转化：百实创(北京)科技有限公司）实现了晶界滑移过程的原子层次动态观察，揭示出常温下晶界滑移是通过晶界处的原子之间的直接滑动与原子短程扩散相互协调实现。这种原子之间的直接滑动提供滑移方向上的位移，而原子短程扩散协调滑动导致的应力集中。发现晶界滑移过程中，晶界原子阵列合并消失、重新组合组成新原子阵列、原子迁移并插入晶体内部等多种新型的扩散机制，这些机制在之前的理论中尚未被预测。该突破发现展示了原子分辨的原位TEM 技术研究晶界变形机制的巨大潜力，并为实验和理论模型之间的无缝链接提供了新的机遇。

两项研究成果之间的脉络关系：单晶和多晶是材料的两种非常典型的形态。材料外在的力学性能与其在外力作用下原子层次结构的演化直接相关。然而，人们对于小尺寸单晶以及晶界变形的原子尺度机制仍然知之甚少，主要是因为缺乏有效的实验方法和科学仪器，使得跟踪变形过程中晶界处的原子运动极其困难。PRL文章主要揭示了小尺寸单晶应变下的原子层次变形机制，而Science文章是前一篇文章的更进一步，揭示了多晶金属中晶界滑动塑性的原子机制，解决了长期困扰该领域的重要科学难题。

立

北京工业大学材制学部教授，国家优秀青年基金、北京市卓越青年科学家计划获得者。长期从事材料力学行为的原位实验方法开发及相关领域重要科学难题的研究。发展了原子分辨的材料力学行为原位研究新方法，解决了晶界变形机制的实验研究长期局限于纳米尺度分辨率的难题；在原子层次揭示了金属多晶中晶界滑移、晶粒旋转的机制。

在原子层次认知材料外场环境下（力，热，电，环境气氛等）物理行为及微观机理是其物理性能优化的重要科学基础，是本领域亟待解决的重大科学难题。相关研究的突破将开辟在原子层次设计材料的新途径。我们的团队在张泽院士，韩晓东教授的带领下，一直致力于解决上述国际重大科学难题。我们的团队创建了系列全新的原位原子层次实验研究方法，突破了原有方法分辨率仅为纳米尺度的局限，并在不同外场环境下材料原子层次微观结构演化的规律的研究上取得了系列突破。更重要的是，发展的技术已经成功应用于航空发动机的研发，既可以解决国际前沿的科学问题，同时又可以服务于国家重大战略需求，为我国卡脖子问题贡献自己的力量。

目前团队的关键技术获国内外授权专利33项，其中美国专利3项，国际PCT专利1项，中国发明专利27项。获2020年度国家自然科学二等奖，2016年北京市科学技术奖一等奖等。团队共计发表论文230余篇，包括：Science 3篇，Nature Mater 3篇， Nature Commun 10篇，Nano Lett 12篇，Phys Rev Lett 4篇，Acta Mater 12篇等；团队承担国家重点研发计划项目，国家重大科研仪器设备研制专项课题、航空发动机重大研究计划重点项目、国家自然科学基金重点项目、科学仪器基础研究专项等。

方法的创新：团队原创的原子分辨原位力学实验研究装置可以实现材料内部结构，界面结构演化过程的原位原子尺度动态观测，将材料力学行为表征技术的空间分辨率由纳米提高至原子层次；

科学发现的创新：1）首次实现了晶界滑移过程的原子层次动态观察，发现晶界滑移过程中，晶界原子阵列合并消失、分裂出新原子阵列、原子迁移并插入晶体内部等多种新型的扩散机制，解决了长期困扰该领域的科学难题，更新了人们对晶界滑移原子机制的认知；2）实现了对约5 nm银纳米线弯曲过程的原位原子尺度研究，发现弯曲变形下银的晶体结构可以从初始的FCC到BCC，然后转化为HCP，最后进一步转变为FCC；而新形成的FCC结构与未发生相变的区域形成孪晶。该发现表明在不需要偏位错的情况下，可以通过相变导致孪晶形核，进一步加深了对小尺寸FCC金属变形机理，相变的认识；

研究方向的创新：上述实验方法的突破和系列科学发现体现出了原子分辨的TEM原位实验技术研究界面现象微观(原子)机制的巨大潜力，并为理论研究提供了基础数据和新的机遇。