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晶界相变的新类型

Kosterlitz和Thouless因为拓扑相变方面的工作,被授予了2016年的诺贝尔物理学奖。拓扑的概念也在现代科学中扮演着重要的角色。大多数金属和陶瓷是晶体,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粒组成的,所有这些晶粒都具有相同的原子结构,但取向彼此不同。晶粒之间的边界、晶界,对材料性质有着很大的影响。


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蒙特卡洛模拟,说明了晶界上也存在Kosterlitz-Thouless类型的拓扑相变,并阐明了这个相变对晶界动力学、形态和超塑性的影响


晶界上的位错的形成和迁移,控制着晶界和多晶材料的许多动力学和动力学特性。陈孔韬等证明,晶界经历了Kosterlitz-Thouless类型的有限温度拓扑相变。在相变温度以上,位错之间的长程相互作用被屏蔽。这个相变导致晶界迁移速度、滑动速度和roughness的突然变化。陈孔韬等通过平均场理论、重正化群理论和动力学蒙特卡罗模拟来分析这种拓扑相变(图1-2),并研究这种相变如何影响介观尺度现象,如晶粒生长停滞、异常晶粒生长和超塑性(图3)。

图1. 重整化群理论中的晶界拓扑相变。图片来源:PNAS


图2. 动力学蒙特卡洛模拟中的晶界拓扑相变。图片来源:PNAS


图3. 晶粒生长停滞尺寸的温度依赖性。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。


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Grain-boundary topological phase transitions

Kongtao Chen, David J. Srolovitz, and Jian Han

PNAS, 2020, 117, 33077-33083, DOI: 10.1073/pnas.2017390117


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。


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