大多數工程材料都具有多相微結構。它們要么通過控制相平衡，要么像制備薄膜那樣通過不同材料的疊加而產生。在這兩個過程中，為了達到熱力學平衡狀態，微觀結構通過內部界面的相互作用而產生結構弛豫。與塊體中增加系統能量的位錯不同，在異質界面引入錯配位錯能夠釋放晶格錯配應變和相應的應變能，進而使材料系統趨向更穩定的平衡狀態。這些錯配位錯被界面周圍的壓縮和拉伸應變場所包圍，并對異相系統的功能和結構產生重大影響，比如，界面粘附、傳質和界面電荷分布等。因此，根本上理解錯配位錯，界面結構與化學，和功能三者之間的動態耦合一直是一個長期的研究課題。但由于錯配位錯埋藏在材料界面內部，加上原子尺度下的實驗測量的困難性，直接探測動態的錯配位錯和動態界面一直是一個主要的挑戰。透射電子顯微鏡（TEM）是少數能夠直接觀測埋藏的位錯的工具之一，能夠在原子尺度下闡明錯配位錯的位、結構和界面錯配度，但所有這些研究都是基于靜態的結構。顯然，人們更渴望在界面相變過程中實時觀測并理解錯配位錯在界面的動態行為。但利用傳統的顯微技術這幾乎不可能實現，因為它需要施加熱和化學反應來驅動界面轉變，同時，還需要在原子尺度下實時捕捉快速演變的界面。

為了解決這個科學和技術難題，在這項工作中，周光文團隊利用環境原位透射電鏡（ETEM）通過氫氣氣氛和高溫加熱來激活Cu₂O/Cu界面反應，同時在高時間和空間分辨率上觀測Cu₂O→Cu界面轉變。Cu₂O/Cu界面被選為模型系統，這是因為它在多相催化、氣體傳感、太陽能轉換和排放控制等諸多技術領域發揮著突出的作用。

實驗過程中，周光文團隊捕獲了一個由界面錯位調控的走走停停式的（間歇的）界面相變行為。通過將這些原位原子尺度的觀測結果與密度泛函理論（DFT）模擬相結合，周光文團隊提出界面位錯延遲界面相變是由于界面位錯攀移需要補足界面位錯核中缺失的金屬原子，而這些原子需要經過長程擴散到界面位錯。因為錯配位錯代表了異相界面上一種重要且普遍存在的結構缺陷，相關的界面相變在多種材料系統、性能和反應的微觀結構演化中發揮著關鍵作用，如冶金、薄膜材料制備、催化和腐蝕等。所以，本文報道的現象具有廣泛的相關性和重要的工程意義。

原位氧化金屬銅單晶薄膜所形成的Cu₂O/Cu界面為觀察錯配位錯和界面相變的動態相互作用提供了理想的平臺。Cu和Cu₂O本身具有較大的晶格錯配度（約14.5%），所以熱力學上是無法形成穩定的共格界面。一系列錯配位錯的引入能夠有效地釋放界面應變能，進而導致半共格界面的產生。

H₂容易在Cu₂O表面與晶格O反應生成H₂O分子。隨著H₂O分子的表面解吸，氧化表面伴隨O空位的形成。由于晶格O只需要克服很小的能壘就能從Cu₂O/Cu界面擴散到表面，所以表面O空位也可以很容易地向Cu₂O/Cu界面遷移。

在界面原子臺階前晶格O的次去缺失后，相鄰的Cu原子自發地向O空位位置進行橫向弛豫，導致它們與底層的Cu晶格完美匹配。Cu原子向O空位位置的橫向弛豫導致界面原子臺階前出現Cu空位團。Cu空位團的形成是由于Cu₂O側與Cu側相匹配的Cu原子數量較少。正是這些結構弛豫產生的Cu空位團使界面原子臺階流動釘扎在界面位錯核位置。只有當銅空位團被額外的銅原子完全填充后，界面原子臺階才會恢復流動，相變繼續發生。因此，界面位錯線整體向上攀移到新的Cu₂O/Cu界面是界面原子臺階恢復相變的必要條件。

實驗和模擬結果證明位錯攀移所需要的原子需從Cu基體長程擴散到界面位錯核處，這一過程中，界面相變處于暫停狀態直至攀移完成。鑒于界面臺階流動機制在固-固相變過程中的普遍存在，錯配位錯在調節固-固相變動力學中的重要作用可能直接適用于氧化反應、氮化反應、硫化反應、硅化反應、相析出反應、固相置換反應，及互擴散形成的多層結構等，其中控制界面相變的原子過程與本工作中有很多相關性，包括界面臺階、錯配位錯和空位輔助擴散等。

該工作得到了美國能源部基礎能源科學辦公室材料科學與工程學部的支持（DE-SC0001135）。