我科學家在金屬中發現“負能界面”

科學導報訊 11月12日，筆者從遼寧材料實驗室獲悉，該實驗室與中國科學院金屬研究所聯合研究團隊近日取得重大技術突破。研究人員在金屬中發現“負能界面”，成功實現亞納米結構合金強化，使材料強度逼近理論極限的同時，顯著提升彈性模量。這種極限尺度穩定界面能夠改變晶格的原子鍵合狀態，從而大幅度提升性能，為下一代高性能金屬材料的設計開辟了全新維度。這一發現標志著金屬材料的結構調控進入到亞納米尺度，相關成果近日在國際期刊《科學》上發表。

長期以來，提高金屬強度是材料領域的核心研究目標。將結構細化到納米尺度形成高密度界面，是金屬的主要強化途徑之一。盧柯研究員帶領團隊，利用穩定的低能孿晶界在金屬銅中構建納米孿晶結構，使銅的強度提升10倍以上，并保持高導電性。然而，當孿晶層片厚度低于約10納米時，孿晶結構失穩導致材料軟化，結構無法進一步細化。因此，如何突破尺寸極限、持續提升金屬強度，成為一項重大難題。

遼寧材料實驗室黨委副書記、副主任李秀艷介紹，盧柯研究員團隊長期致力于金屬材料結構調控與性能突破研究。2018年，該團隊首次發現，當納米金屬的晶粒小于70納米時，晶界能量下降，結構穩定性不降反升，這顛覆了傳統“納米晶粒越小越不穩定”的認知。2020年，團隊進一步探索晶粒尺寸極限，將純銅晶粒細化至4～5納米時，發現材料轉變為一種新結構，晶界呈現三維周期性極小面特征，將其命名為“受限晶體”。在最新研究中，團隊聚焦尺度更小的界面結構（平均0.7納米/3～4原子層）。

“我們通過電化學沉積結合非晶化方法，發現在Ni-Mo合金中存在一種過剩能為負的界面。這種界面比孿晶界面更加穩定，顯著提升了合金的強度和彈性模量。”李秀艷說，該研究不僅突破了現有材料理論的認知，首次證實界面過剩能可以為負，而且在Ni-W等其他材料體系也發現了亞納米“負能界面”強化效應。相關合金已取得中試成果，有望推動高精密耐磨部件的技術升級。