卢柯院士等人发表最新成果，登上《PRL》封面！
导读：受限晶体是人们对金属结构新的认知，为今后发展具备工业应用前景的纳米金属材料开辟了一个崭新的领域，也为深入理解材料物理及化学等基础科学问题提供了新的机遇。
最近，人们在极细晶多晶铜中发现了一种被相干孪晶界约束的分割空间最小晶界(GBs)的施瓦茨晶体(Schwarz Crystals，SC)结构原型。在此，来自中国科学院金属研究所的金朝晖研究员、李秀艳研究员和卢柯院士等研究者，通过原子模拟研究了3D CTB网络对SC形成和热稳定性的约束作用。相关论文以题为“Formation of Stable Schwarz Crystals in Polycrystalline Copper at the Grain Size Limit”发表在Physical Review Letter上。
如图1所示，在多晶铜组成的几个纳米大小的颗粒中，发现了一种亚稳态结构，其晶界受四极子相干孪晶界网络约束，本质上类似于三周期极小表面(TPMS)的Schwarz原始类金刚石(D)。人们发现，这种多晶金属结构比迄今为止已知的任何其他形式的亚稳态固体(例如金属玻璃)，都表现出优越的热稳定性和机械稳定性。具有GB或具有最小表面拓扑流形的界面形态的极细晶结构，称为施瓦茨晶体(SC)，可能代表着多晶金属在最终晶粒尺寸限制下的一种新型本征亚稳态。
图1 相关研究过程阐述。
实验、原子模型和模拟相结合的结果表明，在接近体晶格平衡熔点(TE,1358 K)的温度下，纯Cu SC在晶粒形貌和晶粒尺寸上都保持稳定。它在室温下非常坚硬，理想强度(超过2 GPa)接近理论极限。在整个温度范围内，在拉伸载荷下发生显著的塑性变形之前，结构不会突然破坏。在纯Al和Al- mg合金等其他面心立方(fcc)金属中，也观察到类似的结构和行为。以Cu为例，本研究旨在用分子动力学方法，解决纳米多晶Schwarz晶体的转变(MD)模拟。分析了Schwarz晶体的结构特征和热稳定性，并与实验观测结果进行了比较。
作为对高原问题的第一个具体而成功的数学解决方案，施瓦茨原D曲面和原P曲面，可能是数学和物理中最常提到的TPMSs。最小P面和D面也与陀螺密切相关，因为它们包含在同一副(Bonnet R3)家族中。在图1(a)中，立方体单元中单位D面的形式可以看作是一个斜四边形，有两对等长边，每对边嵌在一个四面体中(如ADjq或Bijh等)，并在一定序列中扩展为一个[111]定向的封闭体。光滑表面包含无限条直线，且处处平均曲率为零。当表面三倍填充空间时，立方体盒作为超级单体满足三维周期边界条件。
在此，研究者通过原子模拟，研究了三维CTB网络对SC形成和热稳定性的约束作用。GB的迁移和CTB网络的演化，触发了SC类金刚石的形成。在毛细压力消失的情况下，CTB约束对于生成平均曲率为零的GBs以及平衡晶格的弹性驱动力至关重要。在接近熔点的温度下，GB的孔径降低到3 nm，可以抑制GB的运动。
图2 图1(c)中由KC到D-SC的转换。
图3 TPMS GBs动力学过程相关研究。
图4 (a) D-SC热稳定性的尺寸依赖性，TS=TEvs DS。(b)在473 K时D SC I的MD快照，包含8(2×2×2)个6.5 nm和4.6 nm的单胞。(c)所制备的Schwarz晶体Cu样品的HRTEM图像，从中可以推断出DSC形貌(Ds~5 nm)。
综上所述，这项研究证明了在传统金属中，如果界面网络易于形成一种独特的形式，以显著的热稳定性为基础，则可以接近几个纳米的晶粒尺寸。模拟表明，在Schwarz D晶体中，TPMS GBs仍然是高能量和本质移动的晶格缺陷。但与开尔文晶体推测的缺陷不同，它们是平均曲率消失的稳定拓扑缺陷。低能量和本质上流动性较低的GB缺陷，如fcc金属中的CTBs，仍然是平面缺陷，可能对GB的运动起到强烈的约束作用。施瓦茨晶体，包括其他类型的晶格结构，为结构稳定材料的未来发展指明了方向。（文：水生）