Grain Boundary Phase Transitions Enable Diffusionless Climb of Disconnections
这项研究表明，位错在晶界处的吸收可以通过局部晶界相变驱动位错间隙（disconnections）的保守、无扩散爬升，从而提供一种不同于传统空位介导过程的机制。
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我们周围世界的各种材料，从易拉罐中的铝到桥梁中的钢，很少是完美的晶体。相反，它们是由被称为“晶粒”的微小、相互锁定的晶体组成的马赛克。在这些晶粒相遇的地方，它们形成了类似于被面缝合线的“晶界”。这些缝隙并非静止不变的；它们是动态区域，决定了材料弯曲、拉伸和保持完整性的能力。在晶粒内部，被称为“位错”的微小线缺陷通过移动来允许金属发生变形。在晶界之间，存在着一种类似但截然不同的缺陷类型，称为“失配位错”（disconnection）。这些失配位ло位错至关重要，因为它们允许晶界本身进行移动、滑动和改变形状，这对于金属在应力作用下的演变至关重要。几十年来，科学家们一直认为，为了让这些边界缺陷向上或向下移动（这种运动称为“攀移”），它们需要依赖一个缓慢且依赖温度的过程，即涉及原子通过体材料扩散的过程，就像人群为了填补队伍中的空隙而缓慢挪动一样。
一支研究团队现在挑战了这一长期以来的观点，他们表明晶界可以以一种完全不同的方式移动，这种方式不需要原子长距离旅行。利用先进的计算机模拟，他们观察了当一个来自晶粒内部的位错撞击晶界时会发生什么。在对铝的研究中，他们发现，当这种碰撞发生时，晶界并不仅仅是吸收该缺陷，然后等待原子从远处扩散进来以帮助其移动。相反，边界经历了一个快速的、局部的结构变化。界面处的原子协同地重新排列自身，移动并进入一种新的、略微不同的构型。这种重排作为一种内置机制，使得失配位错无需任何外部原子供应即可实现攀移。研究人员证明，即使在极低温度下，这一过程也能发生，而在这些温度下，传统的基于扩散的运动会完全冻结且无法实现。
研究人员设置了一个虚拟实验来实时观察这种相互作用的过程。他们模拟了铝中的一种特定类型的晶界，并在其中一个晶粒中引入了一个位错环。他们施加了一个强大的剪切力，将这个位床推向边界。当位错环撞击边界时，它分裂成两部分：一部分滞留在原地，另一部分变成了可以在界面上移动的失配位错。根据旧有的理解，为了让这个可移动的部分向上或向下移动，它需要吸收或发射点缺陷，而这需要原子从周围晶粒深处进行扩散。然而，模拟显示并没有这种长距离的移动。原子在其各自的晶粒内保持不动。相反，晶界本身发生了转变。随着移动的失配位错经过，边界在该特定区域的原子结构转变为一种新的亚稳态。就好像边界改变了自身的内部模式来适应这种运动，而不是等待材料的其他部分向其提供帮助。
这一发现揭示了晶界拥有一种此前被忽视的内部灵活性。失配位错的运动直接与晶界内部的相变相耦合。边界表现得像一种可以在不同结构状态之间切换的材料，而通过缺陷的经过触发了这种切换。这种切换所需的能量来自于施加在材料上的机械应力，而不是激活扩散所需的热能。由于该机制依赖于边界自身的重构能力，因此即使在低至 2 开尔文的温度下也能高效运作，而在这种条件下，传统的扩散过程实际上已经停止。研究人员测量到边界的高度发生了微小的变化，但这种变化通过结构转变在内部得到了补偿，这意味着材料的总体积保持稳定，无需从远处抽取原子。
这一发现对于我们理解材料的行为具有重要意义，特别是对于极端环境下的材料。如果晶界可以通过这些内部结构变化来移动并适应应力，那么材料可能能够在此前被认为脆性大或无法移动的低温环境下进行变形和适应。研究表明，驱动这些缺陷的力量不仅是机械性的推力和拉力，还包括与不同边界结构状态之间的能量差异相关的化学或热力学驱动力。这意味着这些缺陷的运动比之前想象的更复杂，是力学与热力学的交织之舞，而边界本身在自身的演化中扮演着积极的角色。通过识别这种无扩散机制，研究人员为理解微观材料架构如何控制宏观强度和耐久性开启了一扇新的窗口。
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