王立华：求微得道，探寻原子层次真理

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Research Highlights

本期我们介绍的是北京工业大学材制学部王立华教授最新发表在Physical Review Letters 的文章Direct atomic-scale observation of ultrasmall Ag nanowires that exhibit fcc, bcc, and hcp structures under bendings 和发表在 Science 的文章Tracking the sliding of grain boundaries at the atomic scale

[Physical Review Letters 128, 015701]

[Science 375 6586 1261-1265]

论文简介

Direct atomic-scale observation of ultrasmall Ag nanowires that exhibit fcc, bcc, and hcp structures under bending

材料的晶体结构与材料的物理，力学性能直接相关。通常情况下，金属有三种晶体结构:面心立方结构（FCC）、体心立方结构（BCC）和密排六方结构（HCP），而在室温下往往只能表现出其中一种结构。寻求能够调控金属的晶体结构的方法，并揭示其相应的原子机理是调控金属材料的物理，力学性能的科学基础。利用课题组原创的原子分辨原位力学实验研究装置（已经专利转化：百实创(北京)科技有限公司），实现了对约5 nm银纳米线弯曲过程的原位原子尺度研究，发现可以通过弯曲变形，使得常规的FCC结构金属呈现出三种结构。原位原子尺度观察发现在弯曲应变下，银的晶体结构从初始的FCC到BCC，然后转化为HCP，最后进一步转变为FCC；而新形成的FCC结构与未发生相变的区域形成孪晶。该发现表明在不需要偏位错的情况下，可以通过相变导致孪晶形核，进一步加深了对小尺寸FCC金属变形机理的认识。

Tracking the sliding of grain boundaries at the atomic scale

如何在微观层面测量界面现象被《Science》确定为125个最前沿科学问题。晶界是晶体材料中最基础和最重要的界面之一，晶界塑性决定多晶材料中强度和韧性等基本力学性能。晶界滑动是晶界塑性的基本方式之一。理论上有很多晶界滑动模型，但存在巨大争论和不确定性。该论文利用课题组原创的原子分辨原位力学实验研究装置（已经专利转化：百实创(北京)科技有限公司）实现了晶界滑移过程的原子层次动态观察，揭示出常温下晶界滑移是通过晶界处的原子之间的直接滑动与原子短程扩散相互协调实现。这种原子之间的直接滑动提供滑移方向上的位移，而原子短程扩散协调滑动导致的应力集中。发现晶界滑移过程中，晶界原子阵列合并消失、重新组合组成新原子阵列、原子迁移并插入晶体内部等多种新型的扩散机制，这些机制在之前的理论中尚未被预测。该突破发现展示了原子分辨的原位TEM 技术研究晶界变形机制的巨大潜力，并为实验和理论模型之间的无缝链接提供了新的机遇。

两项研究成果之间的脉络关系：单晶和多晶是材料的两种非常典型的形态。材料外在的力学性能与其在外力作用下原子层次结构的演化直接相关。然而，人们对于小尺寸单晶以及晶界变形的原子尺度机制仍然知之甚少，主要是因为缺乏有效的实验方法和科学仪器，使得跟踪变形过程中晶界处的原子运动极其困难。PRL文章主要揭示了小尺寸单晶应变下的原子层次变形机制，而Science文章是前一篇文章的更进一步，揭示了多晶金属中晶界滑动塑性的原子机制，解决了长期困扰该领域的重要科学难题。

原文摘要

Metals usually have three crystal structures: face-centered cubic (fcc), body-centered cubic (bcc), and hexagonal-close packed (hcp) structures. Typically, metals exhibit only one of these structures at room temperature. Mechanical processing can cause phase transition in metals, however, metals that exhibit all the three crystal structures have rarely been approached, even when hydrostatic pressure or shock conditions are applied. Here, through in situ observation of the atomic-scale bending and tensile process of ∼5 nm-sized Ag nanowires (NWs), we show that bending is an effective method to facilitate fcc-structured Ag to access all the above-mentioned structures. The process of transitioning the fcc structure into a bcc structure, then into an hcp structure, and finally into a re-oriented fcc structure under bending has been witnessed in its entirety. This re-oriented fcc structure is twin-related to the matrix, which leads to twin nucleation without the need for partial dislocation activities. The results of this study advance our understanding of the deformation mechanism of small-sized fcc metals.

[ Physical Review Letters 128, 015701 ]

Grain boundaries (GBs) play an important role in the mechanical behavior of polycrystalline materials. Despite decades of investigation, the atomic-scale dynamic processes of GB deformation remain elusive, particularly for the GBs in polycrystals, which are commonly of the asymmetric and general type. We conducted an in situ atomic-resolution study to reveal how sliding-dominant deformation is accomplished at general tilt GBs in platinum bicrystals. We observed either direct atomic-scale sliding along the GB or sliding with atom transfer across the boundary plane. The latter sliding process was mediated by movements of disconnections that enabled the transport of GB atoms, leading to a previously unrecognized mode of coupled GB sliding and atomic plane transfer. These results enable an atomic-scale understanding of how general GBs slide in polycrystalline materials.

[Science 375 6586 1261-1265]

寻幽问径

Scholar Insights

王

立

华

教授

科技部“973计划”首席科学家

国家青年海外高层次人才

北京工业大学材制学部教授，国家优秀青年基金、北京市卓越青年科学家计划获得者。长期从事材料力学行为的原位实验方法开发及相关领域重要科学难题的研究。发展了原子分辨的材料力学行为原位研究新方法，解决了晶界变形机制的实验研究长期局限于纳米尺度分辨率的难题；在原子层次揭示了金属多晶中晶界滑移、晶粒旋转的机制。

您开展这项研究的动机是什么？为什么这个方向会吸引您？

在原子层次认知材料外场环境下（力，热，电，环境气氛等）物理行为及微观机理是其物理性能优化的重要科学基础，是本领域亟待解决的重大科学难题。相关研究的突破将开辟在原子层次设计材料的新途径。我们的团队在张泽院士，韩晓东教授的带领下，一直致力于解决上述国际重大科学难题。我们的团队创建了系列全新的原位原子层次实验研究方法，突破了原有方法分辨率仅为纳米尺度的局限，并在不同外场环境下材料原子层次微观结构演化的规律的研究上取得了系列突破。更重要的是，发展的技术已经成功应用于航空发动机的研发，既可以解决国际前沿的科学问题，同时又可以服务于国家重大战略需求，为我国卡脖子问题贡献自己的力量。

目前团队的关键技术获国内外授权专利33项，其中美国专利3项，国际PCT专利1项，中国发明专利27项。获2020年度国家自然科学二等奖，2016年北京市科学技术奖一等奖等。团队共计发表论文230余篇，包括：Science 3篇，Nature Mater 3篇， Nature Commun 10篇，Nano Lett 12篇，Phys Rev Lett 4篇，Acta Mater 12篇等；团队承担国家重点研发计划项目，国家重大科研仪器设备研制专项课题、航空发动机重大研究计划重点项目、国家自然科学基金重点项目、科学仪器基础研究专项等。

完成这项研究需要采取什么领先或特殊的计算方法/实验手段？

原子分辨的高分辨透射电镜的发展（与扫描隧道显微镜和原子力显微镜共同获得1986年诺贝尔奖）为解决在原子尺度表征材料结构这一难题提供了基础。然而，这些设备只能静态的观察材料结构，缺乏原位动态实验方法和科学仪器是制约“在原子层次动态测量材料结构演化”的关键难题。上述系列发现均是利用课题组原创的原子分辨原位力学实验研究装置实现。这一系列的发现展示了原子分辨的原位TEM 技术在研究材料复杂环境下结构演化规律等方面的巨大潜力。

目前的原位观测手段还有哪些挑战和值得探索的新方向？

近年来，各种原位实验技术得到了飞速的发展，然而大多的实验技术只具有纳米尺度分辨率，进一步发展不同外场环境下材料原子层次微观结构演化机制的原位实验方法依然是极具挑战的难题，是值得进一步探索的新方向。此外，目前大多的原位实验技术只能开展单一外场环境下材料微观结构演化的原位研究，对于多场耦合环境下（如:力-热耦合、力-电耦合、力-热-电耦合、力-热-气氛耦合等）材料原子层次微观结构研究的实验技术仍然是国际领域面临的挑战。

研究过程中遇到的最大困难是什么？最后如何克服了？

如何实现在原子层次研究尺寸在10nm以下的材料及界面结构演化过程是长期困扰该领域的科学难题。研究中最大的困难在于在前期原创的“材料力学行为原位实验研究技术”的基础上，如何进一步研发出适合极小尺寸，以及界面的原位实验方法。前期的实验设备的改进，实验方案的探索需要耗费大量的时间及精力，经过不断的失败、积累经验，最终为实验的成功打下坚实的基础。在实验成功后，后期的实验数据的分析，实验结果的理论模型的建立经历了一个漫长的反复求证的过程。这一系列的突破性发现得益于北京卓越青年科学家计划，国家自然基金委国家重大科研仪器研制等项目的稳定支持，让我及团队成员可以安心下来潜心研究，不用担心仪器设备搭建不成功而打断研发的持续性，最终为该系列成果的产生播下了种子。

研究结果的创新性和重要性具体体现在哪些方面？

方法的创新：团队原创的原子分辨原位力学实验研究装置可以实现材料内部结构，界面结构演化过程的原位原子尺度动态观测，将材料力学行为表征技术的空间分辨率由纳米提高至原子层次；

科学发现的创新：1）首次实现了晶界滑移过程的原子层次动态观察，发现晶界滑移过程中，晶界原子阵列合并消失、分裂出新原子阵列、原子迁移并插入晶体内部等多种新型的扩散机制，解决了长期困扰该领域的科学难题，更新了人们对晶界滑移原子机制的认知；2）实现了对约5 nm银纳米线弯曲过程的原位原子尺度研究，发现弯曲变形下银的晶体结构可以从初始的FCC到BCC，然后转化为HCP，最后进一步转变为FCC；而新形成的FCC结构与未发生相变的区域形成孪晶。该发现表明在不需要偏位错的情况下，可以通过相变导致孪晶形核，进一步加深了对小尺寸FCC金属变形机理，相变的认识；

研究方向的创新：上述实验方法的突破和系列科学发现体现出了原子分辨的TEM原位实验技术研究界面现象微观(原子)机制的巨大潜力，并为理论研究提供了基础数据和新的机遇。

您的合作者提供了哪些帮助？如何看待这项研究？

1）在理论计算上给予了大量的支持；2）在变形机制的认知上给与了深刻的见解；3）在认知实验结果，分析实验数据上给与了重要的帮助，支撑；4）在理论分析，领域研究进展的调研等方面给予了大量的帮助。

论文在投审稿过程中遇到了什么让您记忆深刻的事情？

有时就为了验证一个细小的实验技术是否可行，经常会与韩晓东教授，团队成员讨论科学问题到凌晨。针对具体的实验结果，经常会连续几天的讨论，反复验证，确保实验结论的正确性和可靠性。韩老师经常鼓励我说“实验失败了没有关系，我们鼓励失败，但一定要在失败中找到提高成功率的路径!”。此外，张泽院士在我们遇到科研的瓶颈或者思想上的疙瘩时，他总是用睿智、诙谐的话语，一点一点抽丝剥茧的点拨，不知不觉的把困难解决掉。他也经常教导我们“把自己该干的事干好”。

您将会继续深入相关的研究工作吗？有什么具体的期待？

在将来，我会继续开展相应的研究，并进一步深入，计划在前期的基础上进一步开展“应力、高温、气氛” 等多场环境下材料界面结构演化的原位原子尺度的动态研究，逐步形成具有国际特色的应力、温度耦合环境下合金材料力学行为多尺度原位动态研究方向。面向国家和北京市重大战略需求，研究一类关键性战略材料（如高温合金，钛合金，高熵合金等）在应力环境下原子结构与性能相关性的物理规律；解决制约我国高端部件合金材料研发应用领域的“卡脖子”问题，服务于国家重大需求。

能否分享您在研究探索过程中的某些难忘时刻，比如曾经想要放弃，或者豁然开朗的顿悟。

不管是实验的设计还是实验结果的分析，都经历了漫长的过程。有时候为了一个实验方案，或者一个实验现象的分析，彻底理清实验数据背后的物理规律，一直讨论到午夜以后才回家是常态。有时就为了验证一个细小的实验技术是否可行，经常会与韩老师讨论科学问题到凌晨两三点。经过与韩老师、合作者无数次的讨论、交流，最终有了突破性的发现，有一种“求微得道”的感觉。

设计：由理

排版：由理

美编：农民

责编：理趣

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