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研究背景

晶界（GB）是多晶材料內部的重要界面，其結構和成分對材料的力學性質有顯著影響。近年來，隨著對晶界二維狀態的深入研究，晶界的工程化成為了材料設計的一個熱點。然而，晶界偏析引發的相變及其內在的原子級特性仍存在理解不足的問題。這種偏析在技術上重要的合金中可能導致脆化或強化，給材料性能帶來復雜的挑戰。

成果簡介

為了解決這一問題，馬普鋼鐵研究所Vivek Devulapalli，Christian H. Liebscher等團隊在Science期刊上發表了題為“Topological grain boundary segregation transitions”的最新論文。科學家們通過高分辨率顯微鏡和原子模擬等先進技術，研究了鐵在鈦合金晶界中的偏析行為。

研究發現，鐵在晶界處以二十面體籠結構的形式被容納，這種結構與鈦-鐵體系的平衡體相原子排列顯著不同。該研究揭示了鐵的偏析導致拓撲結構的變化，并形成了新的晶界相，這些相的特征是以不同數量的二十面體籠結構為基礎。

本文通過這些研究，科學家們不僅闡明了晶界偏析的機制，還為晶界拓撲的工程化提供了新思路。這一發現為開發新型合金及其在工業應用中的性能優化奠定了基礎，從而在材料科學領域開辟了新的研究方向。

研究亮點

1. 實驗首次發現鈦鐵合金中晶界的二十面體籠結構，通過高分辨率顯微鏡技術揭示了鐵在晶界中的偏析與新型拓撲結構的形成。這一發現為理解合金的晶界性質提供了新的視角。

2. 實驗通過原子分辨率成像和原子模擬確認，鐵的偏析誘發了晶界的拓撲偏析轉變。研究表明，鐵在晶界中以近乎規則的二十面體籠形式存在，這種結構不同于鈦鐵體系的平衡體相原子排列。

3. 實驗結果顯示，二十面體籠的拓撲特性使其能夠適應雙晶結構，并促進多種不同晶界相的形成。這些相具有不同數量的聚集二十面體籠，表明晶界的性質可以通過調節溶質偏析進行工程化。

4. 研究表明，二十面體相的形成引發了新型的晶界狀態，這些狀態與玻璃狀或準晶體結構相似，為未來多晶合金的晶界拓撲工程提供了新的可能性和理論基礎。

圖文解讀

圖1. 在金屬鈦中，對稱傾斜晶界grain boundaries，GBs的原子結構。

圖2 增加鐵Fe含量，導致晶界GB籠密度和籠簇形成增加。

圖3. 通過晶界的原子模擬，預測晶界GB相。

圖4. 在溫度T=300K時，計算化學勢差的函數與不同起始晶界GB相的鐵Fe中的晶界GB過量。

圖5. 晶界GBs處鐵籠的三維結構。

結論展望

本文通過對鐵在鈦晶界中的偏析現象的深入分析，揭示了溶質偏析與晶界結構轉變之間的關系，尤其是形成二十面體籠結構的機制。這一發現挑戰了傳統的晶界偏析理論，表明晶界的相變不僅是簡單的分層現象，而是復雜的拓撲變換。這為我們理解晶界在材料性能中的作用提供了新的視角，尤其是在優化合金的力學性能和耐腐蝕性方面。

其次，研究指出，利用溶質偏析可以精確調控晶界的形態和性質，從而為材料設計提供了新的策略。不同的偏析濃度能夠影響晶界的構建塊排列，進而改變其穩定性和相態特征。這一發現為未來開發具有特定性能的先進材料提供了理論基礎，尤其是在要求高強度和高韌性的應用領域。此外，研究結果還為探索其他傾向于形成類似二十面體結構的合金系統開辟了新的研究方向，推動了材料科學的發展。

文獻信息

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

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