中国科学院首次发现纳米尺度下 Kelvin 晶体，颠覆金属稳定性认知

IT之家于3月1日报道，中国科学院金属研究所的研究员李秀艳及其团队在探讨纯铂晶粒时，首次发现了在纳米尺度下存在的Kelvin晶体，并证实Schwarz晶体是一种比Kelvin晶体更加稳定及广泛的亚稳态结构。

此项研究揭示了极小尺寸纯铂晶粒的几何形状与其稳定性之间的重要联系，为纳米多晶金属材料的设计及性能提升建立了全新的理论基础。

世纪理论突破：Kelvin到Schwarz的转变

科学家Kelvin提出了一种晶粒形状假设，构想了一种被截去顶角的八面体（截角八面体）构成的多晶材料，宛如用完美蓝图搭建的积木城堡。

长久以来，由于Kelvin猜想具有极小面条件及棱边、顶点的表面张力平衡特点，被视为描述金属中稳定晶粒排列的合理框架。基于这一假设构建的多晶材料年初被认为是金属中唯一的稳定形态，然而李秀艳团队的研究对此提出了挑战。

该团队利用冷轧与低温高压扭转技术，将纯铂晶粒细化至各种尺度。透射电子显微镜的观察结果显示，Schwarz晶体通过高密度的孪晶网络与极小的晶界面相互作用，表现出更强的热稳定性。

• 4纳米级：依然保留Kelvin晶体的清晰棱角特征。该发现首次在实验中确证了纳米尺度下Kelvin晶体的存在。

• 2-3纳米级：晶界流形随机结构，形成了Schwarz晶体。这一发现表明，Schwarz晶体在纳米尺度下比Kelvin晶体更稳定且更为普遍。

进一步的研究揭示了两种晶体结构在热稳定性方面的显著差异。由于Schwarz晶体结合了极小晶界与紧密的孪晶网络，有效平衡了晶格的各向异性以及热涨落所带来的效应，从而显著提高了其结构的稳定性。

相比之下，Kelvin晶体在高温或热涨落显著的情况下，由于晶界能量的各向异性，容易出现失稳现象。

该项研究不仅证实了纳米尺度下Kelvin晶体的存在，同时还揭示了Schwarz晶体作为一种更稳定和广泛的亚稳态结构在纳米多晶金属材料中的重要性。

这些发现对理解晶粒的几何形状及其晶界网络在纳米尺度上对多晶金属稳定性的作用具有重大意义，为纳米金属材料的设计和性能提升提供了新的思路。

相关研究成果已以《纳米尺度上晶粒几何形状对多晶铂稳定性的影响》为题，发表在《物理评论快报》上。IT之家附上论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.056101

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