近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所鈦合金研究部的周剛助理研究員（共同一作）、王皞副研究員與美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Li Dongsheng教授（通訊作者）、宋淼博士（共同一作）以及密歇根大學(xué)的魯寧博士（共同一作）等人合作，采用高分辨原位透射電鏡和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，在原子尺度揭示了兩種五重孿晶的形成機(jī)理。相關(guān)研究成果于2020年1月3日在《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表。
作為一種重要的孿晶結(jié)構(gòu)，五重孿晶在晶體生長(zhǎng)、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)和催化等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。比如，五重孿晶結(jié)構(gòu)所引入的晶格畸變可以增加納米線的楊氏模量；五重孿晶銅納米線在還原CO2制備甲醇的過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能等。盡管自G. Rose于1831年在金中發(fā)現(xiàn)五重孿晶以來(lái)，科研人員已在近百種材料中發(fā)現(xiàn)了五重孿晶結(jié)構(gòu)并開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，但由于無(wú)法在原子尺度直接觀察形成過(guò)程，其形成機(jī)理至今仍無(wú)定論。
此次研究人員發(fā)現(xiàn)，在～3nm Au、Pt和Pd納米顆粒的聚集生長(zhǎng)過(guò)程中，納米顆?？梢酝ㄟ^(guò)顆粒間的取向粘附（Orientation attachment，OA）形成起始的兩個(gè)孿晶界面，然后經(jīng)原子表面擴(kuò)散和高能晶界形成及分解（機(jī)理1）或不全位錯(cuò)的滑移（機(jī)理2）形成五重孿晶結(jié)構(gòu)。兩種形成機(jī)理主要取決于顆粒取向粘附后所形成表面結(jié)構(gòu)。如果經(jīng)取向粘附后，形成的凹面夾角接近90 ，則為機(jī)理1；如果形成的凹面夾角接近150 ，則為機(jī)理2，其具體的形成過(guò)程如下：
機(jī)理1：通過(guò)取向粘附、原子表面擴(kuò)散以及隨后的高能晶界的形成和分解。首先，經(jīng)顆粒取向粘附過(guò)程形成起始的兩個(gè) 3孿晶界面以及一個(gè)～90 凹面；這種較大曲率的凹面將促使表面原子的擴(kuò)散到該處進(jìn)而形成第三個(gè) 3孿晶界和 27高能晶界；最終通過(guò)孿晶極附近零應(yīng)變孿晶的形核及生長(zhǎng)， 27分解成另外兩個(gè) 3孿晶界并形成五重孿晶結(jié)構(gòu)。該機(jī)理可形成較為對(duì)稱(chēng)的五重孿晶結(jié)構(gòu)。
機(jī)理2：通過(guò)取向粘附和不全位錯(cuò)的滑移或晶界分解。當(dāng)取向粘附過(guò)程形成的凹面夾角為～150 時(shí)，通過(guò)在表層原子中不全位錯(cuò)的滑移或 9晶界的分解即可實(shí)現(xiàn)五重孿晶的形成。不全位錯(cuò)的繼續(xù)滑移可促使孿晶界面向晶粒內(nèi)部遷移，但也伴隨著晶格應(yīng)變能增大，因此該機(jī)理主要形成不對(duì)稱(chēng)的五重孿晶結(jié)構(gòu)。在后續(xù)的生長(zhǎng)過(guò)程中，五重孿晶對(duì)稱(chēng)性的演化可通過(guò)與其他納米顆粒的聚集長(zhǎng)大實(shí)現(xiàn)。
圖 1. 五重孿晶形成機(jī)理1：通過(guò)取向粘附、原子表面擴(kuò)散以及隨后的高能晶界的形成和分解（零應(yīng)變孿晶成核和生長(zhǎng)）
圖2. 27分解為 34和 35
圖3. 五重孿晶形成機(jī)理2：通過(guò)取向粘附和不全位錯(cuò)的滑移或晶界分解
