注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
镍铝金属间化合物（NiAl）是一类被广泛应用于航空航天和高温能源领域的重要结构材料。由于其高度有序的晶体结构、优异的高温力学性能以及良好的抗氧化能力，NiAl 长期以来被认为在高温环境下具有出色的相稳定性。然而，在真实服役条件中，这类材料的表面是否始终保持结构与成分稳定，一直缺乏直接的实验验证。
近日，纽约州立大学宾汉姆顿分校周光文教授课题组联合布鲁克海文国家实验室（BNL），通过原位透射电子显微镜（in situ TEM）、同步辐射X-射线光电子显微镜/吸收谱（XPEEM / NEXAFS）以及第一性原理计算（DFT），系统揭示了一种由体相热空位驱动的表面相分离机制，发现即便在无氧、无外界化学反应的条件下，β-NiAl 也会在高温下发生显著的表面富 Ni 相析出，形成 γ′-Ni3Al 纳米析出相。相关成果发表于 Nature Communications。
近年来，高温结构材料在航空发动机、燃气轮机以及能源转换装置中的应用不断拓展，对其长期稳定性提出了更高要求。传统观点认为，金属间化合物由于其严格的化学计量比和长程有序结构，能够有效抑制原子扩散和相分离行为。然而，大量理论研究指出，高温下不可避免会产生热空位等本征缺陷，但这些缺陷是否会对材料表面结构产生实质性影响，长期以来并未得到清晰解答。
在本项研究中，研究团队选择 β-NiAl 这一典型金属间化合物作为模型体系，在约 800 °C 的高温条件下，对其结构演化过程进行了原位、实时追踪。实验结果显示，随着温度升高，NiAl 体相中逐渐形成大量热空位。由于 Ni 与 Al 的空位形成能存在显著差异，Ni 原子更容易从体相迁移至表面，并在表面逐步富集，最终形成具有明确晶体结构的 γ′-Ni3Al 纳米析出相。
图1. NiAl在退火过程中的表面微观结构和成分演变。图片来源：Nat. Commun.
进一步的高分辨透射电镜观察直接揭示了 γ′-Ni3Al 在 NiAl 表面的成核、生长以及界面结构特征；同步辐射 X-射线吸收谱则从电子结构层面明确区分了 γ′-Ni3Al 与基底 NiAl，相互印证了表面相分离的发生过程。结合第一性原理计算，研究团队从能量学角度阐明了体相空位形成、原子迁移与表面相析出之间的内在关联，提出了一种“体相热缺陷—表面相分离”协同演化机制。
图2. NiAl合金退火过程中形成γ'-Ni3Al沉淀物的TEM（上）和谱学（下）表征。图片来源：Nat. Commun.
值得注意的是，这一表面相分离过程并不依赖外界氧化或化学反应，而是一种材料在高温条件下的内禀结构响应。该发现表明，即使是被普遍认为高度稳定的金属间化合物，其表面结构也可能在长期高温服役过程中发生显著重构。
这一成果对于金属间化合物的工程应用具有重要启示意义。表面富镍相的形成可能影响 NiAl 合金的抗氧化行为、催化性能以及界面力学稳定性；同时，该研究提出的体-表耦合机制也为通过合金设计、缺陷调控或表面工程手段提升高温材料稳定性提供了新的思路。
该研究成果近期发表在 Nature Communications 上，论文第一作者为博士生 Shyam Bharatkumar Patel。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Thermally driven surface phase separation in intermetallic alloys
Shyam Bharatkumar Patel, Xiaobo Chen, Dongxiang Wu, Zhikang Zhou, Yupeng Wu, Yaguang Zhu, Chaoran Li, Xianhu Sun, Xiao Tong, Abdullah Al-Mahboob, Deyu Lu, Jorge Anibal Boscoboinik, Jerzy T. Sadowski, Guangwen Zhou
Nat. Commun., 2025, DOI: 10.1038/s41467-025-67397-x
研究团队简介
周光文教授，美国纽约州立大学宾汉姆顿分校机械工程与材料科学杰出教授，美国显微学会会士 (MSA Fellow)。其指导的材料表面与界面研究组专注于利用多种原位表征实验手段及与理论模拟相结合来研究材料中界面和表面上的原子行为。课题组与美国布鲁克海文国家实验室、太平洋西北国家实验室，阿贡国家实验室，美国国家标准局等开展了广泛的合作与交流。相关研究结果发表在Nature、Nat. Mater.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、AFM、JACS、PNAS、PRL、ACS Nano、Chem. Rev.、Acta Mater.等国际期刊上。
https://www.x-mol.com/university/faculty/49863
科研思路分析
Q：该研究的灵感来自哪里？
A：金属间化合物通常被认为在高温下具有很高的结构稳定性，但我们注意到，一些实验现象难以用传统“稳定相”概念解释。因此，我们希望通过原位、多尺度的手段，直接观察高温下材料内部缺陷及其对表面的影响。
Q：实验中最具挑战的部分是什么？
A：最大的挑战来自两个方面：一方面是实验层面。我们需要在高温条件下，同时获得足够高空间分辨率和结构稳定性的原位数据，这对样品制备、实验条件控制以及数据解读都提出了很高要求。尤其是表面析出相与体相结构信号往往相互叠加，如何在实验上区分它们，是一个反复尝试和不断修正的过程。另一方面是理解层面。最初观察到表面 γ′-Ni3Al 析出时，我们也曾怀疑是否与氧化、污染或外界环境有关。为了排除这些可能性，我们反复对比不同实验条件，并结合同步辐射光谱和第一性原理计算，从结构、成分和能量多个角度进行交叉验证。这一过程耗时较长，但也帮助我们逐步建立起对机制的信心。
Q：该成果未来可能带来哪些实际应用？
A：这项工作对高温结构材料和功能材料都具有启示意义。表面富 Ni 相的形成可能影响 NiAl 的抗氧化性能、界面稳定性以及催化行为，而这些正是实际工程应用中非常关键的因素。更重要的是，我们提出了一种通过调控体相缺陷行为来间接调控表面结构的思路。这为未来通过合金设计、元素掺杂或缺陷工程来提升材料长期稳定性，提供了一种新的研究方向。
