近日，北京工业大学韩晓东教授团队在~2nm银纳米晶变形机制的研究中取得重要进展。成果发表在国际顶级期刊ACS Nano上，题目为：In Situ Atomic-Scale Quantitative Evidence of Plastic Activities Resulting in Reparable Deformation in Ultrasmall-Sized Ag Nanocrystals。北京工业大学为第一通讯单位。通讯作者为北京工业大学韩晓东教授，王立华教授，毛圣成教授，翟亚迪博士。北京工业大学材料科学与工程学院李东伟博士为本文第一作者。

    超细纳米金属材料在微/纳米机电器件和柔性器件中有广泛应用。在实际应用中，金属纳米材料经常处于应变/应力下，这会影响其结构和功能的稳定性。以往的研究表明纯金属中的塑性变形（如相变，层错以及孪晶等）会导致材料永久性的结构改变。当应力卸载后，这些塑性变形导致的结构变化在不加外力和热的情况下是不可恢复的。有一些分子动力学模拟计算预测面心立方结构（fcc）金属纳米材料中的变形孪晶在应力卸载后恢复，但是缺乏直接实验证据的支持。由于之前报道的原位实验都是基于尺寸大于几十纳米的金属，当纳米金属材料尺寸降低至~ 5nm以后， fcc纯金属中的塑性变形（相变，层错、孪晶等）能否在卸载后恢复？其相应的塑性变形机制又是怎样的？    北京工业大学韩晓东教授、王立华教授团队在透射电子显微镜中实现了对~2nm银纳米晶变形过程的原子尺度原位动态观测。通过实验，发现当Ag纳米晶尺寸降低至~2nm尺度时，其变形方式为fcc−hcp相变、随机分布的层错和孪晶。该发现不同于人们之前认识的小尺寸金属（如尺寸几十个纳米以上）变形方式主要为全为错与偏位错/孪晶不同。更重要的是，应力释放后这些塑性变形均为可恢复。本研究首次利用原子尺度实验证实，当Ag尺寸降低至~2nm时，塑性变形能够在应力释放后恢复。这一发现，打破了过去对可恢复塑性变形仅能在记忆合金中进行的固有认识，拓展了对纯金属材料变形机制的认识。    通过实验与理论计算结合，小尺寸纳米金属中hcp相变、孪晶出现的概率主要是依赖于相变能垒与孪晶之间的能量势垒比（ΔγH/ΔγT）来预测。而对于尺寸较大的金属材料（如尺寸几十个纳米以上），其变形方式主要为全为错与偏位错/孪晶之间的竞争，全位错与孪晶出现的概率主要依赖于金属的层错能与孪晶形核的能量势垒比值预测。图1. 银纳米晶体变形模式的定量分析。(a-d)银纳米晶体中由变形引起的层错、纳米孪晶和hcp相的TEM图像。(e)对242个银纳米晶体进行分析后，不同变形模式的统计图。(f)诱发不同塑性变形模式所需的弹性应变/应力。图2. 可恢复fcc-hcp相变的原位原子尺度观察。图3. 可恢复fcc-hcp相变的原子尺度原位观察。(a-d)hcp相变的原位观察，hcp相转变为纳米孪晶fcc结构。(e-j)原子尺度可恢复fcc-hcp相变的示意图。图4. 可恢复层错的产生和相应应变图的原位原子尺度观察。(a-c)银纳米晶体中三个层错的产生(红色箭头所示)。(d,e)卸载后三个层错的恢复。(f-i)层错产生和卸载恢复的另一个例子。(j-m)对应于(f-i)的拉伸应变()图。图5. 可恢复层错和变形孪晶的原位原子尺度观察。图6. fcc纳米晶体的分子动力学模拟。(a)原子模型展示了银纳米晶体的三种变形模式。(b)银纳米晶中孪晶、hcp相和独立层错形成的能量曲线。(c)不同fcc纳米晶体的fcc-hcp转变和变形孪晶之间的能量势垒比。    综上，本研究发现当Ag尺寸降低至~5nm之后，fcc−hcp相变成为一个常见的变形方式；而且这些相变，偏位错产生的孪晶，层错在在应力卸载后可恢复。本研究表明小尺寸fcc金属的变形机制，可以通过hcp相变和孪晶形核的能量势垒比值（ΔγH/ΔγT）预测。拓宽了小尺度纯金属材料变形行为的认识，能够更加全面了解纯金属的变形机制。该项成果得到了科技部重点研发计划、北京高校卓越青年科学家计划、国家自然基金委基础科学中心、科技部创新领军人才等项目支持。    本文中研究团队采用的是北京工业大学韩晓东教授团队原创的原位双倾力学样品杆。韩晓东教授团队在张泽院士带领下，发展了一系列原创的透射电镜原位样品杆，可实现单场以及多场（包括力、热、电以及多场耦合）环境下材料结构演化过程的原子层次观测。该技术目前已产业化：由百实创（北京）科技有限公司生产，为国产仪器加油。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c05808

领域：纳米材料