在原子相遇的角落进行创新 利哈伊大学设计适合极端条件的新材料

盖世汽车讯 如何才能设计出更坚固、更轻的材料？在极端条件下（例如喷气发动机和航天器）使用的新材料又如何呢？据外媒报道，利哈伊大学（Lehigh University）工程与应用科学学院（P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science）材料科学与工程学副教授Fadi Abdeljawad表示，答案可能隐藏在无限微小的区域或边界中，其中晶体内的原子聚集在一起。

（图片来源：利哈伊大学）

Abdeljawad与美国能源部集成纳米技术中心（CINT）的合作者共同揭示，这些微小的边界如何对纳米材料的特性产生如此巨大的影响。Abdeljawad表示：“原子聚集在一起形成纳米晶体，其宽度约为人类头发的万分之一。想象一下，这些晶体像拼图或瓷砖一样聚集在一起。数十亿个这样的纳米晶体相互堆叠，从而形成了多数工程材料。”

据介绍，晶体相遇的区域在决定材料行为方面发挥着巨大的作用。研究人员探讨了纳米材料中的微小特征（称为三结）如何在维持这些材料在高温下的稳定性方面发挥关键作用。

角落里的黄金

纳米晶体材料具有极其精细的结构，由许多微小的晶体组成。这样微小的晶体可以使材料更坚固。然而，随着时间的推移，使这些晶体保持小而稳定的状态是一项挑战，因为它们往往会变大，从而削弱材料。

这项研究表明，使这些材料在高温下保持稳定的关键在于三结（triple junctions），即三个纳米晶体相遇的角落。想象一下，三个拼图的角合在一起。

研究人员发现，当添加某些原子以形成合金时，它们更倾向于占据这些三结位置。这种“化学偏析（chemical segregation）”或原子在三结处聚集，有助于防止晶粒生长，从而防止材料随着时间的推移而失去强度。具体研究显示，在铂纳米材料中将金原子小心地置于三结处，可以使材料在高温条件下保持稳定。

Abdeljawad表示：“通过了解这一过程，研究人员能够设计更好地纳米晶合金。他们可以选择将特定元素用于三结处，从而使材料保持稳定。这对于在高温下注重强度和耐用性的应用来说尤其重要，例如航空航天和能源行业。”

发挥团队合作的力量

利哈伊大学计算材料研究人员Abdeljawad进行了大规模计算研究来预测这些结果。为了验证模型，该计算团队与集成纳米技术中心（CINT）合作。作为美国能源部科学办公室资助的五个纳米科学用户设施之一，CINT提供了先进的纳米级研究工具和专业知识，使材料科学、纳米制造和纳米光子学领域的前沿研究成为可能，从而推动科技进步。