重磅《Science》子刊：原位直接观察！位错如何长程运动及相互作用？

编辑推荐：如何将块状材料的微观缺陷与其宏观特性联系起来，是材料科学中一个古老的问题。位错(线缺陷)之间的长程相互作用，在材料变形或熔化过程中起着关键作用，但人类仍缺乏将这些动力学与宏观性质联系起来的工具。

在此，来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Leora E. Dresselhaus-Marais等研究者，通过引入时间分辨的暗场X射线显微镜，在超过数百微米距离的块状铝中对位错如何移动和相互作用直接可视化。这里所提出的新方法，是将缺陷与宏观性能联系起来的重要一步。相关论文以题为“In situ visualization of long-range defect interactions at the edge of melting”发表在Science Advances上。更多精彩视频抖音搜索"材料科学网"。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe8311

材料的许多力学、热学和电子特性，都受到缺陷的影响。一个突出的例子是位错，它是原子晶格中延伸的线性缺陷，使晶体材料在力学载荷下永久改变其形状。延性材料的硬度和可加工性的显著范围，是由于它们的位错如何移动和相互作用。自透射电子显微镜(TEM)出现以来，位错已被广泛表征；然而，TEM需要亚微米的样品尺寸，引入尺寸效应和表面应力，这并不适用于块状材料。因此，原位透射电子显微镜局限于解决空间局域过程中的位错相互作用动力学，包括位错孤立动力学、位错源的操作以及位错与晶界之间的相互作用等。

为了理解缺陷如何支配材料的宏观特性，必须要解决非局部和随机过程。在这些条件下，缺陷运动是在三维(3D)范围内的长度尺度下，由不可预测的不均匀性和缺陷网络的随机分布控制的。为了理解位错是如何形成三维结构的，需要对原子晶体进行类似的亚表面纳米尺度实验。尽管模拟已经帮助人类理解了这种随机位错动力学，但是现实模式的模型跨越必要的纳米到毫米长度的尺度，目前是难以实现的。此时，导致自由位错群有序形成结构(多边形)的特定相互作用仅限于理论和原位研究，而不能捕捉动力学。为了了解块状材料中的位错如何形成三维结构和网络，人类需要新的实验工具。

当前测量技术的局限性，在温度接近融化时表现得尤为明显。有序固体在平衡状态下熔解成无序液体的机理，人类已经争论了一个多世纪。当前研究表明：位错在结晶和成核熔化过程中起着关键作用；然而，模型仍然缺乏实验指导来确定在熔化尖端条件下，外来位错相互作用的相关物理过程。

基于X射线衍射的成像技术，已经成为一个必要的可用于多尺度表征工具的有前途的候选者，因为它可以绘制三维的晶体性质。但目前它们还无法在一个代表性区域内，以足够的空间和时间分辨率测量动力学。暗场X射线显微镜(DFXM)，类似于其对应的TEM，可直接绘制材料表面下缺陷和边界周围的微妙变形，以提供之前无法获得的微观结构视图。虽然DFXM已经解决了铁电学和生物矿物中等关键问题，但它直到最近才被应用到位错研究中。

在此，研究者提出时间分辨DFXM，可作为一种新的工具来绘制块体材料内部非定域过程中的位错是如何移动的以及是如何相互作用的。利用这种方法，研究者解决了在铝单晶表面下组成一个~200 μm位错边界(DB)的位错的个别和集体运动。图像显示，当晶体从97%到99%的熔化温度(T_m= 660°C)加热时，DB如何沿着一个非常低角度的边界(LAB)迁移。研究者放大了位错如何进入和离开边界，导致两个DB段合并并稳定成一个内聚结构。随着DB的迁移并增加其位错之间的间距，研究者观察到边界是如何失稳的。将此与理论联系起来，可用于揭示DB在熔点处溶解的机制，因为热力主导了位错相互作用。通过可视化和量化以前仅限于理论的热激活动力学，研究者展示了一种新的块状测量类型——通过使用时间分辨DFXM进行测量，为材料科学提供了关键的机会。

图1 探测晶体内部的位错。

图2 DB的快照。

图3 DBs合并的直接可视化。

图4 DB演化的时间图。

图5 微妙的影响使DB不稳定。

综上所述，研究者以这种方式将微观途径与材料的动力学联系起来，使得人类能够解决模型在熔化、变形、地球物理等背景下难以预测的关键多尺度错位相互作用。目前的多尺度实验通常只能通过位错密度将微观结构与体性能联系起来，而研究者的时间分辨DFXM研究揭示了以前看不见的动力学细节，以及如何提供重要的指标来量化位错结构的演化，并将其与块体连接起来。这里所提出的新方法，是将缺陷与宏观性能联系起来的重要一步。（文：水生）