百实创（北京）科技有限公司 2023年用户科研成果精选

2024-2-15 04:17

春耕夏耘，秋收冬藏。一年光阴转瞬即逝，2023年虽接近尾声，但是2023 年中国科研工作者的探索成就令人难忘。在此，我们精心整理了 2023年使用百实创（Bestron）公司产品在材料科学领域取得的部分科研成果，向大家展示其中的重要科研发现，分享中国科研工作者取得的系列国际前沿的研究成果。同时希望百实创在新的一年中能够更好地助力科研工作者们继续探索创新，勇攀高峰。

01 研究成果一

题目：

In Situ Atomic-Scale Quantitative Evidence of Plastic Activities Resulting in Reparable Deformation in Ultrasmall-Sized Ag Nanocrystals

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期刊：ACS Nano

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摘要：塑性变形会使纯金属产生的永久性的结构改变，在卸荷后通常不可修复的。由于缺乏实验证据，研究者尚不清楚尺寸减小到几纳米的纯金属的塑性行为是否可以恢复，也不清楚该尺寸的金属是如何适应塑性变形的。本研究对~2 nm 的银纳米晶进行原位加载与卸载，在原子尺度下观察到三种塑性变形方式：(i)从面心立方(fcc)相到六方密排(hcp)相的相变，(ii)层错，(iii) 变形孪晶。我们发现，这三种模式都导致了可修复的结构变化，并且原位观察到它们在加载和卸载过程中的产生和恢复。我们发现，纳米金属的变形模式可以通过 fcc-hcp 相变的能垒(△γH) 和变形孪核(△γT)的比值来预测，这与大尺寸金属的理论模式不同。研究中所提出的△γH/△γT 判据可以为纳米金属的变形机制提供一些见解。

DOI：10.1021/acsnano.3c05808

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c05808

02 研究成果二

题目：

Chemical inhomogeneity–induced profuse nanotwinning and phase transformation in AuCu nanowires

期刊：Nature Communications

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摘要：纯金属纳米材料通常具有超高强度，但均匀塑性变形能力较差。而随机固溶(RSS)合金如何适应塑性以及它们是否能实现高强度和超塑性之间的协同作用仍有待研究。北京工业大学韩晓东教授团队利用百实创双倾原子分辨 MEMS 芯片加热/拉伸样品杆，发现面心立方 RSS- AuCu 合金纳米线具有 260%的超塑性和 6 GPa 的超高强度，克服了强度和延性之间的权衡困境。这些优异的性能源于变形过程中 HCP 相的大量生成(2H 和 4H 相)，可逆 FCC-HCP 相变，以及锯齿状纳米孪晶产生。研究结果揭示了化学不均匀性对固溶合金塑性变形机制的影响。

DOI：10.1038/s41467-023-41485-2

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41485-2

03 研究成果三

题目：

Self-healing of fractured diamond

期刊：Nature Materials

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摘要：金刚石是自然界最硬的材料，具有高透光性、高热导率、宽禁带等突出优势，广泛应用于机械工程和各种功能部件，包括微纳米机电系统、生物医学和热管理系统。然而，其固有的脆性对金刚石部件的可靠性构成了严重威胁。在微米尺度下，研究者利用自行搭建的扫描电镜原位力学测试设备，采用循环拉伸断裂测试方法，发现完全断裂的纳米孪晶金刚石复合材料（Nanotwinned Diamond Composite, ntDC），在无外部干预下，可以在室温下表现出非凡的裂纹自修复能力。定量化研究结果显示断裂后的 ntDC 表现出约 34%的愈合效率，明显高于单晶金刚石（Diamond Single Crystal, DSC）约 6.7%的愈合效率，即使尺寸达到微米级，这种自愈合行为依然存在。在纳米-原子尺度下，研究者利用透射电镜与百实创 INSTEMS-M 原位双倾力学系统研究了 ntDC 愈合机理。ntDC 断口处产生的含有 sp2-和 sp3-杂化碳原子的非晶组织，仿照骨愈合过程中形成的成骨细胞，命名为钻石骨细胞（Diamond Osteoblast, DO）。随着断口间 DO 相间距离的减少，其原子间相互作用力由排斥转变为吸引并重新成键，实现自愈合。这一发现揭示了纳米结构金刚石的自愈能力，为未来提高脆性陶瓷材料的韧性和耐久性的研究提供了重要见解。

DOI：10.1038/s41563-023-01656-4

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01656-4

04 研究成果四

题目：

Nanoscale ductile fracture and associated atomistic mechanisms in a body-centered cubic refractory metal

期刊：Nature Communications

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摘要：具有高熔点的体心立方 (BCC) 难熔金属通常表现出高强度，但延展性和断裂韧性相对较差，严重限制 BCC 难熔金属的应用。揭示 BCC 难熔金属断裂机制对改善难熔金属断裂韧性具有重要意义。由于缺乏原子尺度的实验证据，BCC 金属的纳米级断裂过程和相关的原子机制仍然难以捉摸。裂纹扩展过程涉及裂纹尖端多个 1/2{110}滑移系统的位错成核、运动和相互作用。位错在裂纹尖端的成核、运动、相互作用会引起裂纹尖端塑性剪切和垂直于裂纹面的局部解离的交替出现。前者导致裂纹钝化和局部减薄，而后者导致裂纹扩展和锐化。原子模拟揭示了温度和应变速率对这些裂纹扩展交替过程的影响，为 BCC 难熔金属中韧脆性转变的位错介导机制提供了见解。

DOI：10.1038/s41467-023-41090-3

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41090-3

05 研究成果五

题目：

Toughening oxide glasses through paracrystallization

期刊：Nature Materials

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摘要：玻璃作为一种典型的非晶材料，由于缺乏微观结构控制的增韧效应，表现出本征脆性，从根本上限制了玻璃材料的应用。因此，在保留玻璃其他优秀性能，同时对玻璃进行增韧的调控策略是研究者们一直追求的目标，但却难以实现。在这里，我们以铝硅酸盐玻璃为例，通过准结晶在氧化玻璃中进行的特殊增韧。通过结合实验和计算模型，我们证明了在高压和高温条件下，均匀形成了遍布玻璃结构的晶体状中程有序团簇。次晶氧化玻璃显示出优越的韧性，高达 1.99±0.06 MPa m1/2，超过了任何其他报道的大块氧化玻璃。我们将这种特殊的增韧归因于由应力诱导的从次晶态到非晶状态的逆转变引起的多个剪切带的激发，从而揭示了塑性变形特性。这一发现为设计高损伤耐受性玻璃材料提供了一种有效的策略，并强调了原子水平结构变化对氧化玻璃性能的实质性影响。

DOI：10.1038/s41563-023-01625-x

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01625-x

06 研究成果六

题目：

Interfacial strain evolution and abnormal Poisson’s ratios in Al nuclei for the Al/TiB2 heterostructure

期刊：Scripta Materialia

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摘要：采用像差校正透射电镜定量研究了 Al/TiB2 异质结构的界面晶格失配和局部弹性应变。揭示了(0001)TiB2 上堆叠的 Al 层的面内膨胀和面外压缩，有利于变形 Al 层的进一步扩展，从而成功地实现非均相成核。这些晶格应变可以从 TiB2 的最顶层(0001)表面持续到几个 Al 原子层。基于压缩和膨胀弹性应变关系，计算了 Al 核的泊松比，发现大的失配应变会导致泊松比的异常变化。该研究揭示了晶格错配对 Al 在 TiB2 上非均质成核的影响，可能对理解 Al 的非均质成核具有重要意义。

DOI：10.1016/j.scriptamat.2023.115508

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646223002324?via%3Dihub

07 研究成果七

题目：

Deformable κ phase induced deformation twins in a CoNiV medium entropy alloy

期刊：International Journal of Plasticity

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摘要：由于金属间化合物的脆性，低温退火面心立方(FCC)基合金在体准静态拉伸实验中表现出明显的塑性退化。这里我们展示了一种新的方法，通过在具有高层错能的 CoNiV 等原子中熵合金(MEA)中产生脆性金属间相（κ）剪切和变形孪晶来克服这种变形能力的损失。脆性 κ 相不仅具有较高的剪切极限抗拉强度(~1800-2000 MPa)，而且还提高了流变应力，接近 MEA 中变形孪晶发生的临界值(~1660-1750 MPa)。这种剪切和孪晶反过来又有助于进一步的加工硬化和强化，从而提高 MEA 的变形能力(均匀伸长~25-27%)。因此，该 MEA 中由金属间相脆化引起的延性退化可以得到恢复。可变形金属间相和高应力变形孪晶的结合提出了一种新的强化机制，为设计力学性能更加优秀的 FCC 合金提供了可能。

DOI：10.1016/j.ijplas.2022.103509

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641922002868

08 研究成果八

题目：

Direct observation of tensile-strain-induced nanoscale magnetic hardening

期刊：Nature Communications

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摘要：磁弹性是建立材料磁性和力学性能关联性的纽带。虽然经历了几十年研究，磁弹性物理机制仍然没有完全建立，这主要是由于实验方法和技术的限制，导致相关的实验证据和物理图像缺乏。如何实现高空间分辨定量化测量磁结构变化，并定量精确控制应变尤为困难。我们使用原位菲涅耳离焦成像、离轴电子全息和双金属变形装置，对拉伸应变如何改变铁磁性 Ni 薄板中的磁畴进行了纳米级的原位观察。我们展示了定量化的磁畴壁结构及其作为应变函数的转换过程，同时观察到应变诱导的垂直于应变轴方向的 180°磁畴壁周期性的形成和解离。磁化转变表现出应力决定的方向灵敏度和可逆性，并且能够通过改变纳米结构的尺寸进行调节。本工作中，我们为铁磁性纳米结构的表现性和确定性的磁硬化提供了直接证据，同时我们的实验方法可以对应变引起的磁性变化进行定量化的局部测量。

DOI：10.1038/s41467-023-39650-8

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39650-8

09 研究成果九

题目：

Novel Method for Image-Based Quantified In Situ Transmission Electron Microscope Nanoindentation with High Spatial and Temporal Resolutions

期刊：Micromachines

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摘要：近几十年来，基于微机电系统(MEMS)的原位 TEM 力学样品台发展迅速。然而，基于图像的定量化 MEMS 力学样品台的效果受到时间和空间分辨的限制。本文以原位 TEM 纳米压痕为例，开发了一种基于图像的高时空分辨率定量原位 TEM 力学测试新方法。基于图像的 MEMS 机械结构受到空间和时间分辨率之间的权衡。将参考梁引入到压痕-样品区域的附近。通过将压头、样品和参考梁排列在微米大小的区域内，可以从三个组件上标记物的相对运动中直接动态地获得压痕深度和载荷，同时在相对较高的放大倍率下观察压痕过程。在整个过程中，不涉及观察区域的改变。因此，不会遗漏任何变形事件，可以显著提高量化数据的采集率。

DOI：10.3390/mi14091708

原文链接：https://www.mdpi.com/2072-666X/14/9/1708

10 研究成果十

题目：

Hydrogen embrittlement prompt fracture in Ni-based single crystal superalloy

期刊：Journal of Materials Research and Technology

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摘要：氢燃料和氢混合动力飞机发动机是航空工业发展的新趋势。镍基单晶高温合金是最常用的发动机材料，其氢脆性能亟待研究。本文研究了第二代镍基单晶高温合金经电化学预充氢处理后的氢脆行为及其断裂机理。高温合金表现出极大的氢脆易感性，以及强度和延展性降低。在充氢试样中，断口表面出现大量微孔和裂纹，最终导致脆性和最终开裂。随着充氢量的增加，试样中观察到更多的位错、层错和 DSBs。通过透射电镜原位环境研究发现，氢致微孔首先在 γ/γ′界面形成，然后扩展到 γ′相，最终导致开裂。氢降低了 γ′相和 γ′相之间的内聚强度，加速了裂纹沿孔洞的扩展。镍基单晶高温合金的氢脆断裂是由于氢致裂过程中氢增强的局部塑性、应变诱导空位和脱黏的协同作用所致。

DOI：10.1016/j.jmrt.2023.06.088

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785423013364

11 研究成果十一

题目：

In Situ Atomic-Scale Evidence of Unconventional Plastic Behavior at The Crack Tip in AuCu Nanocrystals

期刊：Advanced Functional Materials

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摘要：理解裂纹尖端的塑性行为对提高纳米金属的断裂韧性至关重要，但以往的研究大多集中在纯金属上。由于缺乏直接的原子尺度证据，目前尚不清楚裂纹尖端如何适应高浓度固溶合金的塑性变形。在本研究中，对面心立方 AuCu 合金纳米晶裂纹尖端的原子尺度塑性行为进行了原位观察，提供了直接证据，证明塑性变形是由变形孪晶和六方密堆积(HCP) 2H 和 4H 相的产生、可逆的 FCC-HCP 相变和去孪晶所控制的，而这在纯金属中很少观察到。这种不寻常的行为源于 AuCu 合金固有的化学不均匀性，它通过相邻平面上的部分位错抑制孪晶增厚，而不是随机产生变形孪晶、相变和可逆过程。这自然意味着在其他高浓度固溶合金(包括高中熵合金) 的裂纹尖端也有类似的行为。本研究极大地提高了对金属材料断裂韧性的理解。

DOI：10.1002/adfm.202305636

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305636

12 研究成果十二

题目：

FIB-shield: a structure to safely transfer and precisely mount beam-sensitive TEM specimens under focused ion beam

期刊：Physica Scripta

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摘要：近几十年来，聚焦离子束系统被广泛应用于透射电镜样品制备。然而，在样品的转移和固定过程中的离子束辐照和再沉积引起的损伤无法有效避免，限制了 FIB 在离子束敏感样品中的应用。本文设计并制造了一种掩体结构，大大减少了样品传输过程、Ga 离子束成像过程，铣削过程以及 Pt 沉积过程所产生的损坏和污染。实现了离子束敏感材料的原位 TEM 纳米压痕样品的几乎无损伤转移和精确固定。通过实验验证了屏蔽板在 Ga 离子束成像和铣削过程中阻挡 Ga 离子辐射损伤的有效性，以及缓冲区在 Pt 沉积过程中减轻溅射损伤的有效性。

DOI：10.1088/1402-4896/ad0c18

原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1402-4896/ad0c18

13 研究成果十三

题目：

Microstructure and oxidation of NiCr alloys studied by analytical in situ environmental TEM

期刊：Corrosion Science