设计下一代金属一次一个原子

研究金属制造如何能带来更持久的电池和更轻的车辆?这一切都归结为物理学。太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员正在通过直接观察发生剪切变形的金属的原子级变化来研究物理力对金属的影响。

在剪切变形过程中施加以改变金属形状的力也会重新排列其原子，但对每种金属或合金的方式不同。原子排列会影响金属特性，如强度、可成形性和导电性——因此，更好地了解原子在剪切过程中的移动方式是定制设计具有从原子向上的特定特性的下一代金属的持续努力的关键部分。

这些可视化为理解剪切变形如何在使用剪切辅助加工和挤压(ShAPE)生产的金属中观察到的改进特性奠定了基础，这是PNNL在金属制造中的一项创新。在ShAPE制造过程中，使用剪切力加工金属以生产用于车辆和其他应用的高性能金属合金。

“如果我们了解剪切变形期间金属在原子水平上发生了什么，我们可以利用这些知识来改进无数其他金属承受相同力的应用——从提高电池寿命到设计具有特定特性的金属，例如更轻、更强的合金更高效的车辆，”PNNL实验室研究员兼研究诱导剪切变形力的研究小组负责人王崇敏说。

PNNL研究人员还仔细研究了不完美的金晶体中的原子——在其原子结构中存在缺陷的晶体——在剪切变形过程中是如何重新排列的。原子结构中现有的缺陷改变了原子的移动方式，导致不同的结构产生不同的材料特性。图片来源：SaraLevine的动画，太平洋西北国家实验室

原子之谜

物理力量是普遍的。在金属制造过程中故意施加以制造合金的力与可能损坏电池内部结构以导致最终故障的力相同。研究人员还知道，剪切变形可以从根本上改变金属的微观结构，从而真正改善材料——使金属更坚固、更轻、更灵活。但这是如何发生的仍然是一个谜。

PNNL材料科学家ArunDevaraj解释说：“如果你在跑步开始和结束时拍摄田径运动员的照片，你可能会认为他们根本没有移动。”“但是，如果你在跑步者绕着跑道行驶时拍摄他们，你就会知道他们跑了多远。这里也一样。如果我们确切地了解在剪切变形过程中原子水平上的金属会发生什么，我们就可以应用它战略性地设计具有特定特性的材料的知识。”

PNNL研究人员还仔细研究了不完美的金晶体中的原子——在其原子结构中存在缺陷的晶体——在剪切变形过程中是如何重新排列的。原子结构中现有的缺陷改变了原子的移动方式，导致不同的结构产生不同的材料特性。图片来源：SaraLevine的动画，太平洋西北国家实验室

黄金标准

为了观察剪切变形如何重新排列金属原子，研究人员在PNNL的透射电子显微镜内使用了一个专门的探针，这是世界上少数几个具有这种能力的实验室之一。研究小组使用显微镜记录了金属内各行原子在剪切变形过程中是如何移动的。他们首先关注黄金——标准，因为它最容易在原子水平上可视化。

当研究人员观察黄金经历剪切时，他们看到黄金晶体被分成更小的颗粒。他们注意到金原子排列中的自然缺陷改变了剪切变形移动原子的方式。这是有用的信息，因为缺陷在变形过程中在金属中很常见，但在所有金属中的表现并不相同——这会直接影响金属性能。

“金属中晶体、晶粒尺寸和微观结构的缺陷会影响金属的特性，如强度和韧性。这就是为什么了解剪切变形如何移动金属原子并影响金属的整体微观结构很重要的原因，”李双说,PNNL博士后和分享这些结果的三项研究的第一作者。

接下来，研究小组研究了铜。他们观察了剪切变形如何产生纳米孪晶——使金属更坚固的结构特征。观察铜和铌的合金，他们发现剪切变形对金属混合物的铜和铌相内的原子产生不同的影响。这是一个有价值的见解，可以告知如何使用剪切变形制造具有特定特性的合金。

在受控制造过程中研究这些力如何影响金属所获得的信息可以直接转化并应用到任何金属经历相同物理力的地方。例如，PNNL的原子级可视化能力也有助于了解极端条件(例如核反应堆)或清洁能源应用(例如氢气传输线和储罐)中使用的材料如何响应外部压力。通过更好地了解金属制造的原子物理学，更持久的电池、用于更高效车辆的更轻合金以及具有更高强度和导电性的下一代金属的定制设计都可以实现。