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研究背景

晶界（GB）是多晶材料内部的重要界面，其结构和成分对材料的力学性质有显著影响。近年来，随着对晶界二维状态的深入研究，晶界的工程化成为了材料设计的一个热点。然而，晶界偏析引发的相变及其内在的原子级特性仍存在理解不足的问题。这种偏析在技术上重要的合金中可能导致脆化或强化，给材料性能带来复杂的挑战。

成果简介

为了解决这一问题，马普钢铁研究所Vivek Devulapalli，Christian H. Liebscher等团队在Science期刊上发表了题为“Topological grain boundary segregation transitions”的最新论文。科学家们通过高分辨率显微镜和原子模拟等先进技术，研究了铁在钛合金晶界中的偏析行为。

研究发现，铁在晶界处以二十面体笼结构的形式被容纳，这种结构与钛-铁体系的平衡体相原子排列显著不同。该研究揭示了铁的偏析导致拓扑结构的变化，并形成了新的晶界相，这些相的特征是以不同数量的二十面体笼结构为基础。

本文通过这些研究，科学家们不仅阐明了晶界偏析的机制，还为晶界拓扑的工程化提供了新思路。这一发现为开发新型合金及其在工业应用中的性能优化奠定了基础，从而在材料科学领域开辟了新的研究方向。

研究亮点

1. 实验首次发现钛铁合金中晶界的二十面体笼结构，通过高分辨率显微镜技术揭示了铁在晶界中的偏析与新型拓扑结构的形成。这一发现为理解合金的晶界性质提供了新的视角。

2. 实验通过原子分辨率成像和原子模拟确认，铁的偏析诱发了晶界的拓扑偏析转变。研究表明，铁在晶界中以近乎规则的二十面体笼形式存在，这种结构不同于钛铁体系的平衡体相原子排列。

3. 实验结果显示，二十面体笼的拓扑特性使其能够适应双晶结构，并促进多种不同晶界相的形成。这些相具有不同数量的聚集二十面体笼，表明晶界的性质可以通过调节溶质偏析进行工程化。

4. 研究表明，二十面体相的形成引发了新型的晶界状态，这些状态与玻璃状或准晶体结构相似，为未来多晶合金的晶界拓扑工程提供了新的可能性和理论基础。

图文解读

图1. 在金属钛中，对称倾斜晶界grain boundaries，GBs的原子结构。

图2 增加铁Fe含量，导致晶界GB笼密度和笼簇形成增加。

图3. 通过晶界的原子模拟，预测晶界GB相。

图4. 在温度T=300K时，计算化学势差的函数与不同起始晶界GB相的铁Fe中的晶界GB过量。

图5. 晶界GBs处铁笼的三维结构。

结论展望

本文通过对铁在钛晶界中的偏析现象的深入分析，揭示了溶质偏析与晶界结构转变之间的关系，尤其是形成二十面体笼结构的机制。这一发现挑战了传统的晶界偏析理论，表明晶界的相变不仅是简单的分层现象，而是复杂的拓扑变换。这为我们理解晶界在材料性能中的作用提供了新的视角，尤其是在优化合金的力学性能和耐腐蚀性方面。

其次，研究指出，利用溶质偏析可以精确调控晶界的形态和性质，从而为材料设计提供了新的策略。不同的偏析浓度能够影响晶界的构建块排列，进而改变其稳定性和相态特征。这一发现为未来开发具有特定性能的先进材料提供了理论基础，尤其是在要求高强度和高韧性的应用领域。此外，研究结果还为探索其他倾向于形成类似二十面体结构的合金系统开辟了新的研究方向，推动了材料科学的发展。

文献信息

Vivek Devulapalli et al. ,Topological grain boundary segregation transitions.Science386,420-424(2024).

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