晶界动力学的新理论

大多数金属、合金和陶瓷是晶体，它们的原子周期性地排列在晶格中。完美的晶体具有相同的周期性结构。大多数晶体是由不同的晶体颗粒组成的，所有这些晶体颗粒都具有相同的原子结构，但取向彼此不同。

材料学家特别关心这些晶粒间边界——晶界，因为在晶界中更可能发生腐蚀和其他的损坏。了解晶界在受到外力作用时如何移动，是材料微结构工程的基础。

美国宾夕法尼亚大学陈孔韬博士及其合作者，通过位错的统计物理模型和分子动力学模拟，说明了晶界迁移率（晶界动力学里最重要的系数）其实是一个二阶对称矩阵，而不是目前科学家普遍认为的标量。

晶界迁移率是晶界速度和驱动力之间的比例系数。虽然晶界速度通常被认为是晶界沿着法向的运动速度，但是晶界上下的晶粒也会相对滑移，所以，晶界速度是矢量。由于晶界运动可以被晶界上下的化学势差或切应力所驱动，所以，晶界上的驱动力也是矢量。因此，做为速度和驱动力的比例系数，晶界迁移率必须是矩阵。通过对一个铜的晶界的分子动力学模拟，陈孔韬等发现，晶界迁移率矩阵的所有分量都不为零。其中一些分量随着温度上升而增加，另一些随着温度上升而下降。陈孔韬等提出了一种基于位错的统计模型，说明了在一个临界温度以下，晶界迁移率和温度遵守阿伦尼乌斯方程，而在临界温度以上，晶界迁移率反比于温度（图1）。这个临界温度由位错的能量决定。对于一个晶界，哪个位错发挥主导作用，取决于驱动力的类型和所研究的晶界迁移率分量。最后，陈孔韬等研究了晶界迁移率张量如何影响了经典晶粒生长理论，并说明了晶界运动带来的应力会降低晶界迁移率和晶粒生长速度（图2）。

图1. 晶界迁移率张量的各个分量的温度依赖性。图片来源：PNAS

图2. 晶粒生长中，晶粒大小、切变随时间的演化。图片来源：PNAS

这一成果近期发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 上，文章的第一作者是陈孔韬博士。近年来，陈孔韬博士用统计物理、分子动力学、蒙特卡洛模拟等方法研究晶界动力学，以第一作者在PNAS、Acta Materialia 等发表多篇论文，取得令人瞩目的进展。

（本稿件作者：王昱）

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The grain boundary mobility tensor

Kongtao Chen, Jian Han, Xiaoqing Pan, David J. Srolovitz

PNAS, 2020, 117, 4533-4538, DOI: 10.1073/pnas.1920504117

陈孔韬博士介绍

陈孔韬，宾夕法尼亚大学博士，师从美国工程院院士David Srolovitz，用统计物理、分子动力学、蒙特卡洛模拟等方法研究晶界动力学。曾获Acta Student Award (结构材料学顶级刊物Acta Materialia 的年度最佳学生论文奖)，President Gutmann Leadership Award (宾夕法尼亚大学授予顶尖研究生的奖项)，担任Materials & Design 等期刊审稿人，并受邀在美国麻省理工学院、法国里尔大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室等进行学术报告。以第一作者在PNAS、Acta Materialia 等发表多篇论文，并被Justdial.com, Phys.org等国际媒体报道。