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工大要聞
蘭州理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在極限尺寸納米金屬領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
來(lái)源：國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
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2025-07-12

近期，省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、材料科學(xué)與工程學(xué)院、甘肅省材料基因與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)學(xué)科研究中心可持續(xù)材料設(shè)計(jì)與模擬研究團(tuán)隊(duì)薛紅濤副研究員與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所李秀艷研究員團(tuán)隊(duì)合作在極小晶粒尺寸金屬熱穩(wěn)定性方面取得重要進(jìn)展，并以題為“Transformation from Weaire-Phelan packing to thermally stable Euler crystals in polycrystalline face-centered cubic metals”發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Acta Materialia》（中國(guó)科學(xué)院1區(qū)，IF=9.3）上。蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一完成單位，博士研究生楊丹為第一作者，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所金朝暉研究員為通訊作者。

自19世紀(jì)以來(lái)，將空間細(xì)分為具有最小表面積的等體積單元被稱(chēng)為開(kāi)爾文（Kelvin）問(wèn)題。1993年Weaire和Phelan通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)了一種比“Kelvin結(jié)構(gòu)”更有效的堆積形式，即“Weaire-Phelan結(jié)構(gòu)”，其解決了用最小表面積和相等體積的單元填充時(shí)沒(méi)有間隙空間的Kelvin問(wèn)題。Weaire-Phelan結(jié)構(gòu)也啟發(fā)了2008年夏季奧運(yùn)會(huì)北京國(guó)家游泳中心“水立方”的建筑設(shè)計(jì)?；谧钚∶娣e原理的空間填充理論和Weaire-Phelan（W-P）猜想，可持續(xù)材料設(shè)計(jì)與模擬研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了晶粒尺寸小于10納米、具有三重共格孿晶界的面心立方多晶金屬（Cu、Ni和Al）模型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此類(lèi)W-P晶體中的晶界可轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N獨(dú)特結(jié)構(gòu)——該結(jié)構(gòu)以三個(gè)相互垂直的懸鏈面（極小曲面）為特征，其數(shù)學(xué)特性已由數(shù)學(xué)家Leonhard Euler嚴(yán)格證明。這種Euler晶體結(jié)構(gòu)的納米金屬能在高達(dá)熔點(diǎn)80%以上的溫度中保持優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。其中密集嵌入的Σ3{111}共格孿晶是觸發(fā)該轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素，同時(shí)對(duì)維持所得極小曲面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要作用。除先前基于Kelvin猜想發(fā)現(xiàn)的典型極小曲面結(jié)構(gòu)——Schwarz晶體外，本研究證明其他拓?fù)湫问降臉O小曲面晶界（如Euler懸鏈面）同樣可能存在，三維晶界網(wǎng)絡(luò)向鞍狀極小曲面形貌的演變可有效提升納米多晶材料的熱穩(wěn)定性。

在納米多晶金屬中，晶粒取向的合理組合對(duì)穩(wěn)定其微觀(guān)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。通過(guò)織構(gòu)選擇性加工技術(shù)，促進(jìn)微觀(guān)結(jié)構(gòu)向包含Euler懸鏈面的Schwarz晶體演變，可視為一種有效提高納米晶金屬與合金穩(wěn)定性的新策略。（圖/文：薛紅濤；審核：石玗）