通讯单位：德国德累斯顿工业大学，美国加利福尼亚大学尔湾分校，香港大学，香港城市大学
DOI：10.1126/science.adp1516
在结晶材料中，晶界的运动是决定材料性能的重要因素之一。传统观点认为，晶界的运动主要由外部驱动力推动。然而，最新研究发现，即使在没有外部驱动力的情况下，晶界在特定条件下仍然能够单向运动。这一突破性的发现对理解材料微结构的演化和性能优化具有重要意义。
研究发现
研究团队利用分子动力学和相场晶体模拟，揭示了晶界在受到振荡驱动力或周期性热退火的作用时，可以表现出布朗运动棘轮（Brownian ratchets）的特性，进而导致方向依赖的迁移和单向运动。这种现象在几何上非对称的晶界中尤为明显，而对称晶界则没有表现出类似的行为。
图1：在不同方向驱动力下晶界（GB）的迁移行为
在(A)到(E)中，展示了在正向和反向驱动力（y或t）作用下晶界的迁移速率。
红色圆圈和蓝色菱形分别表示在正向和负向驱动力下的模拟数据，短水平线表示平均值和标准差。
在(F)到(J)中，展示了这些晶界在正向和负向驱动力下的迁移结构，上下两部分分别对应正向和负向驱动力下的结构。图中，具有局部完美晶体环境的原子未显示，红色原子表示局部六方密堆结构的原子。
图2：在相反驱动力下不同晶界（GB）迁移速率的对比情况
在(A)到(E)中，展示了这些双晶结构的示意图以及它们之间的对称关系（例如2′-轴）。
在(E)中，棕色和蓝色区域分别表示两种不同取向的晶粒。
在(F)到(J)中，展示了在不同方向驱动力（y或曲率1/w）下，晶界迁移速率比值 |v+/v−| 的对比。
这些数据是通过对铝中的S39平晶界和S13晶界半环进行分子动力学（MD）模拟获得的，每种驱动力进行了六次模拟。灰色点表示每次模拟的结果，黑色符号表示数据的平均值和标准差。
图3：晶界（GB）运动的方向性机制
(A) 和 (B)：展示了在对称晶界（STGB）和非对称晶界（ATGB）上台阶的成核和生长过程。
空心蓝色箭头表示晶界迁移的方向，短黑色箭头表示解离运动的方向。蓝色线段表示晶界台阶，红色和绿色线段表示不同类型的解离。灰色条纹表示等效晶面。阴影平行四边形表示解离在晶界迁移过程中扫过的区域。
与对称（例如2′）无关的平行四边形（包括灰色条纹）被标记为不同颜色。
(C) 和 (D)：展示了铝中S11 [110] 对称晶界（STGB）和非对称晶界（ATGB）的最小能量路径（MEPs）。
(E) 和 (F)：分别对应(C)和(D)中的MEPs示意图，与其对称性保持一致。
(G)：展示了一个标记有转移概率 {pij} 的马尔可夫链（参见(E)和(F)中的标签“a”和“b”）。
(H) 至 (M)：展示了状态概率分布的演变；(H)、(J) 和 (L) 基于对称MEP (E) 的结果，而 (I)、(K) 和 (M) 则基于非对称模型 (F) 的结果。
(H) 和 (I)：展示了在没有（黑色）、正向（红色）和反向（蓝色）驱动力下的概率分布演变。
(J) 和 (K)：展示了在驱动力振荡变化下的结果。(L) 和 (M)：展示了在循环退火条件下的结果。
(K) 和 (M) 的插图分别展示了晶界迁移速率与驱动力及温度振荡频率和幅度的关系。
研究进一步显示，不对称晶界的迁移率依赖于驱动力的方向，而对称晶界的迁移率则与驱动力方向无关。通过实验和模拟的结合，研究人员证实了这一现象的普遍性，并揭示了晶界运动的复杂机制。
此外，研究表明，对称混合晶界和非对称混合晶界的迁移率表现出显著的方向依赖性。这一发现进一步揭示了对称性在晶界迁移过程中的关键作用，并为材料科学提供了新的研究方向。
方向依赖的晶界迁移现象为材料科学研究提供了新的视角。未来的研究可能会进一步探索如何利用这一特性来优化材料性能，特别是在高性能材料的开发和微结构工程中。
