新材料研究看到了原子水平的转变

当制造技术将金属、陶瓷或复合材料转化为技术上有用的形式时，了解相变过程的机制对于塑造这些高性能材料的行为至关重要。然而，实时看到这些转变是很困难的。

由Thomas J. Watson 工程与应用科学学院机械工程系和宾厄姆顿大学材料科学项目的周广文教授领导的《自然》杂志上的一项新研究使用透射电子显微镜 (TEM) 来观察原子水平上的氧化物到金属的转变。特别令人感兴趣的是在多相材料的界面处始终存在的错配位错，并且在决定结构和功能特性方面发挥着关键作用。

周的学生孙先虎和吴东翔是该论文的第一作者(“位错诱导的界面转变的停走动力学”)。孙最近完成了他的博士论文，吴是博士生。其他贡献者包括邹连峰，12级硕士，17级博士，现为燕山大学教授，博士研究生陈晓波;匹兹堡大学斯旺森工程学院Judith Yang教授、访问研究助理Stephen House教授和博士后研究员Meng Li;和来自能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室功能纳米材料中心的科学家 Dmitri Zakharov 。

周说，利用先进的技术，“制造商可能能够控制现有材料的微观结构和性能，并设计出新型材料。这项研究有一些实际意义，但也有根本意义。”

实验测试了氧化铜向铜的转化。在原子尺度上直接观察这种界面转变具有挑战性，因为它不仅需要能够访问掩埋界面，而且还需要应用化学和热刺激来驱动转变。

通过使用能够将氢气引入显微镜以驱动氧化物还原同时进行 TEM 成像的环境 TEM 技术，研究团队能够以原子方式监测界面反应。令人惊讶的是，研究人员观察到从氧化铜到铜的转变以间歇性方式发生，因为它被错配位错暂时停止，这种行为类似于由交通信号灯调节的走走停停过程。

“这是出乎意料的，因为材料研究界接受的常识是界面位错是促进转变而不是延迟转变的位置，”周说。

为了了解发生了什么，吴开发了计算机代码来解释他们在实验中看到的情况。实验和计算机建模之间的这种来回过程帮助团队了解错配位错如何控制相变所需的原子的远程传输。

“在原子水平上，实验和计算机建模之间的这种循环、迭代过程是材料研究的一个令人兴奋的方面，”周说。

基本信息可用于设计新型多相材料和控制其微观结构，可用于多种应用，例如承重结构材料、电子制造和清洁能源生产和环境可持续性的催化反应。

在 Binghamton 收集初始数据后，Sun 和研究团队在 Pitt 和 Brookhaven 的设备上重复了实验，这些设备具有不同的能力。