近年來，金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心（“國研中心”）納米金屬材料研究團(tuán)隊（納米金屬科學(xué)家工作室）在納米金屬材料穩(wěn)定性和極限尺寸納米金屬材料方面接連取得了系列突破性研究進(jìn)展。發(fā)現(xiàn)塑性變形法制備的臨界晶粒尺寸以下納米晶金屬具有反常優(yōu)異穩(wěn)定性現(xiàn)象；在極細(xì)多晶Cu中發(fā)現(xiàn)一種新型亞穩(wěn)固態(tài)——受限晶體結(jié)構(gòu)(Schwarz crystal)；在受限晶體結(jié)構(gòu)鋁合金(Al-Mg)中發(fā)現(xiàn)高溫原子擴散收到顯著抑制現(xiàn)象；利用分子動力學(xué)模擬揭示受限晶體結(jié)構(gòu)的形成和超高穩(wěn)定性物理機制等。相關(guān)研究成果以Science文章及Physical Review Letters封面文章發(fā)表后，受到了廣泛的關(guān)注報道和探討。
近日，《Nature Materials》News ＆ Views專欄在線發(fā)表了著名科學(xué)與科普作家、《Nature》雜志顧問編輯Philip Ball的專題文章《Arresting grain boundaries with topology》(利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鎖定晶界)，介紹了納米金屬材料團(tuán)隊在受限晶體結(jié)構(gòu)方面的重要發(fā)現(xiàn)。受限晶體結(jié)構(gòu)(Schwarz crystal)是晶界面受三維有序?qū)\晶網(wǎng)絡(luò)全方位約束，空間連續(xù)貫通并呈現(xiàn)周期性規(guī)則排列的極小曲面晶體。文章提到早在十八世紀(jì)Leonhard Euler和Joseph Lagrange就對極小面進(jìn)行了數(shù)學(xué)研究，而在十九世紀(jì)德國數(shù)學(xué)家Hermann Schwarz發(fā)現(xiàn)周期性極小曲面可能組裝成具有立方對稱性(P-surface)、金剛石對稱性(D-surface)或更為復(fù)雜的G-surface的三維結(jié)構(gòu)。并進(jìn)一步介紹納米金屬材料研究團(tuán)隊的研究表明一旦形成Schwarz結(jié)構(gòu)，因為具有最小表面積和平均曲率，晶界網(wǎng)絡(luò)就“無處可去”，因此在拓?fù)渖鲜亲罘€(wěn)定的；同時三維有序的孿晶界面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步貢獻(xiàn)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Schwarz界面和孿晶界網(wǎng)絡(luò)的互鎖增強了彼此的穩(wěn)定性：晶粒不會粗化，孿晶界不會遷移。也因此，材料屈服強度接近金屬理論值。文章進(jìn)一步介紹了納米金屬材料研究團(tuán)隊在受限晶體（Schwarz crystal）的形成和抑制原子的高溫擴散行為、相析出等方面的研究工作。最后，文章再次強調(diào)通過設(shè)計類似受限晶體結(jié)構(gòu)的超強晶界結(jié)構(gòu)能夠提高材料的穩(wěn)定性。
