您看不到它們，但是周圍的大多數(shù)金屬(硬幣，銀器，甚至是支撐建筑物和立交橋的鋼梁)都由微小的金屬顆粒組成。在足夠強(qiáng)大的顯微鏡下，您可以看到類似花崗巖臺(tái)面的互鎖晶體。

材料科學(xué)家早就知道，隨著組成金屬的晶粒尺寸變小，金屬變得更堅(jiān)固。如果晶粒的直徑小于10納米，則材料會(huì)較弱，因?yàn)閾?jù)認(rèn)為它們會(huì)像沙子順著沙丘滑落一樣滑過(guò)彼此。金屬的強(qiáng)度有極限。

但是由猶他州大學(xué)前博士后學(xué)者周曉玲(現(xiàn)為普林斯頓大學(xué))，地質(zhì)學(xué)副教授洛厄爾·宮城(Lowell Miyagi)和中國(guó)上海高壓科學(xué)技術(shù)高級(jí)研究中心的陳斌領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)表明，這并非總是如此。情況—在直徑為3納米的鎳樣品中，在高壓下，樣品的強(qiáng)度隨著晶粒尺寸的減小而持續(xù)增加。

周和宮城說(shuō)，結(jié)果是對(duì)金屬晶粒中的各個(gè)原子如何相互作用的新認(rèn)識(shí)，以及一種利用這些物理學(xué)方法獲得超強(qiáng)金屬的方法。他們的研究是與加州大學(xué)伯克利分校和中國(guó)大學(xué)的同事進(jìn)行的，發(fā)表在《自然》上。

“我們的結(jié)果表明，制造超強(qiáng)金屬的一種可行策略，” Zhou說(shuō)。“過(guò)去，研究人員認(rèn)為最強(qiáng)的晶粒尺寸約為10-15納米。但是現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)，我們可以在10納米以下制造更堅(jiān)固的金屬。”

推過(guò)Hall-Petch

宮城說(shuō)，對(duì)于大多數(shù)金屬物體而言，金屬顆粒的大小約為幾百到幾百微米，大約是一根頭發(fā)的直徑。他說(shuō)：“高端餐具通常會(huì)具有更細(xì)，更均勻的顆粒結(jié)構(gòu)，這可以使您獲得更好的邊緣。”

金屬?gòu)?qiáng)度和晶粒尺寸之間先前理解的關(guān)系稱為霍爾-帕奇關(guān)系。根據(jù)Hall-Petch的研究，金屬?gòu)?qiáng)度隨著晶粒尺寸的減小而增加，下降到10-15納米的極限。直徑只有大約4到6股DNA鏈。低于該極限的晶粒尺寸并沒有那么強(qiáng)。因此，為了使強(qiáng)度最大化，冶金學(xué)家將尋求最小的有效晶粒尺寸。

周說(shuō)：“細(xì)化晶粒尺寸是提高強(qiáng)度的好方法。” “因此，過(guò)去發(fā)現(xiàn)這種晶粒細(xì)化方法不再適用于低于臨界晶粒尺寸的做法，實(shí)在令人沮喪。”

低于10納米弱化的解釋與晶粒表面相互作用的方式有關(guān)。宮城說(shuō)，谷物的表面與內(nèi)部的原子結(jié)構(gòu)不同。只要晶粒通過(guò)摩擦力保持在一起，金屬就會(huì)保持強(qiáng)度。但是人們認(rèn)為，在晶粒較小的情況下，晶粒會(huì)在應(yīng)力作用下相互滑動(dòng)，從而導(dǎo)致金屬?gòu)?qiáng)度降低。

但是，由于技術(shù)上的限制，以前無(wú)法在納米顆粒上進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)，從而限制了對(duì)納米級(jí)顆粒行為以及在Hall-Petch極限以下是否仍有未利用的強(qiáng)度的了解。“因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了這項(xiàng)研究來(lái)測(cè)量納米金屬的強(qiáng)度，” Zhou說(shuō)。

在壓力之下

研究人員測(cè)試了鎳的樣品，鎳是一種可用于各種納米顆粒的材料，其尺寸可低至3納米。他們的實(shí)驗(yàn)包括將各種晶粒度的樣品在高壓下置于鉆石砧室中，并使用X射線衍射觀察每個(gè)樣品在納米級(jí)發(fā)生的情況。

宮城說(shuō)：“如果您曾經(jīng)玩過(guò)彈簧，則可能已經(jīng)用力拉得足以使彈簧毀壞，以致它無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有的作用。” “這基本上就是我們?cè)谶@里要測(cè)量的;我們要多么努力地推動(dòng)這種鎳，直到我們將其變形超過(guò)能夠恢復(fù)的程度為止。”

強(qiáng)度一直增加到最小的可用粒度。3納米樣品承受了4.2吉帕斯卡的力(大約等于十只10,000磅大象在一個(gè)高跟鞋上保持平衡的力)，然后不可逆地變形。這比商業(yè)級(jí)晶粒尺寸的鎳強(qiáng)十倍。

宮城說(shuō)，這并不是霍爾-帕奇關(guān)系破裂的原因，而是在實(shí)驗(yàn)條件下，顆粒之間的相互作用方式是不同的。該高壓可能克服糧食滑動(dòng)效果。

他說(shuō)：“如果將兩個(gè)晶粒真正地推在一起，則它們很難彼此滑過(guò)，因?yàn)榫ЯＶg的摩擦變大了，并且可以抑制導(dǎo)致這種弱化的晶粒邊界滑動(dòng)機(jī)制。 ”

當(dāng)在20nm以下的晶粒尺寸處抑制晶界滑動(dòng)時(shí)，研究人員觀察到一種新的原子級(jí)變形機(jī)制，該機(jī)制導(dǎo)致了最細(xì)晶粒樣品的極端強(qiáng)化。

超強(qiáng)的可能性

周說(shuō)，這項(xiàng)研究的一項(xiàng)進(jìn)展是他們的方法以前所未有的方式測(cè)量了納米級(jí)材料的強(qiáng)度。

宮城說(shuō)，另一種進(jìn)步是考慮強(qiáng)化金屬的新方法，即對(duì)金屬的晶粒表面進(jìn)行加工以抑制晶粒的滑動(dòng)。

“在工業(yè)上，壓力在這些實(shí)驗(yàn)中并不高，在工業(yè)上沒有很多應(yīng)用，但是通過(guò)顯示壓力是抑制晶界變形的一種方法，我們可以考慮采用其他方法來(lái)抑制這種變形，也許是使用復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)您的晶粒形狀會(huì)阻止晶粒相互滑過(guò)。”