晶界遷移（grain boundary migration）是多晶和納米晶材料中的一種常見的塑性變形行為，深入研究其作用機制對調控材料的力學性能具有重要的理論意義。之前的研究廣泛報道了切應力作用下的晶界遷移（shear-coupled GB migration）現象，逐步發展了相應的理論模型，提出了較為普適的disconnection主導的晶界遷移機制，并在分子動力學模擬中得到了證實和完善。

然而，受制于現有的實驗技術手段，實時觀測應力作用下晶界處原子結構的動態演變過程仍然面臨著巨大的挑戰，極大地限制了人們對于材料塑性變形過程中晶界機制的系統研究和深入理解。因此，亟需開發新的實驗方法，為建立完整的晶界變形理論提供有力的實驗依據，進而也為改善材料的力學性能提供了新思路。

浙江大學硅材料國家重點實驗室張澤院士、王江偉研究員與加拿大曼尼托巴大學 ChuangDeng教授、美國匹茲堡大學S.X. Mao教授等合作在Nature Communications發表了研究成果《原位原子尺度觀察臺階主導的晶界遷移》（In situ atomistic observation of disconnection-mediated grain boundary migration）。

研究人員利用先進的原位電鏡技術及分子動力學模擬，從原子尺度揭示了切應力作用下disconnection機制主導的晶界遷移行為，進一步完善和發展了學術界對于晶界變形行為的認識，為通過晶界結構調控改善材料的力學性能提供了新思路。

基于現狀，該課題組研究人員利用先進的球差校正電子顯微鏡結合力-電耦合原位樣品桿通過巧妙的實驗設計發展出一種獨特的原位制樣和力學實驗方法，高質量地制備出多種包含不同類型晶界的金屬納米結構，并通過精確控制原位樣品桿的可動端，實現了穩定的原位剪切加載，同時借助高速相機實時捕捉變形過程中晶界結構的動態演變過程。

圖1. 原子尺度觀察Σ11(113)晶界上兩種不同類型disconnection滑移導致的晶界遷移現象，并在分子動力學模擬中得到驗證

首先以Σ11(113)晶界為模板從原子尺度上動態直觀地揭示了通過disconnection的表面形核、滑移和交互作用實現的晶界遷移機制。

圖2?Σ11(113)晶界在循環加載過程中通過disconnection機制實現往復遷移

緊接著在不同的大角度傾轉晶界結構中驗證了該遷移機制的普適性，并且發現其它晶界缺陷（如位錯）對該遷移不產生明顯的釘扎作用；同時，還在復雜晶界結構中揭示了disconnection的三叉晶界形核機制，完善了目前對于晶界變形行為的認識。

圖3 Disconnection在復雜晶界結構塑性變形中的三叉晶界形核機制

進一步研究發現，由disconnection主導的晶界往復遷移可有效提高金屬納米結構在循環加載條件下的變形能力，為通過晶界結構調控改善材料的力學性能提供了新思路。

利用類似的原位制備技術和力學實驗方法，該課題組還在原子尺度定量揭示了<111>取向的面心立方金屬線在拉伸加載過程中由位錯滑移主導的超塑性變形機制，相關成果以“Superplasticity in Gold Nanowires through the Operation of Multiple Slip Systems”為題發表在Advanced Functional Materials上。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-08031-x

Zhu Q, Cao G, Wang J, et al. In situ atomistic observation of disconnection-mediated grain boundary migration[J]. Nature communications, 2019, 10(1): 156.