在压力下模拟3纳米晶粒大小的镍。彩色线表示部分或全部晶粒错位。图片：犹他大学

您看不到它们，但是周围的大多数金属（硬币、餐具、甚至是支撑建筑物和立交桥的钢梁）都由微小的金属颗粒组成。在足够强大的显微镜下，您可以看到类似花岗岩台面的互锁晶体。

材料科学家早就知道，随着组成金属的晶粒尺寸变小，金属变得更坚固。但是如果晶粒的直径小于10纳米，则材料会较弱，因为据认为它们会像沙子顺着沙丘滑落一样彼此滑过。金属的强度有极限。

但是由犹他州大学前博士后学者周小玲（音，现为普林斯顿大学），地质学副教授洛厄尔·宫城（LowellMiyagi）和中国上海高压科学技术高级研究中心的陈斌领导的实验表明，这并非总是如此。在晶粒直径为3纳米的镍样品中，在高压下，样品的强度随着晶粒尺寸的减小而持续增加。

周和宫城说，结果是对金属晶粒的各个原子如何相互作用的新认识，以及一种利用这些物理学方法获得超强金属的方法。他们的研究发表在《自然》上。

“我们的结果表明，制造超强金属的一种可行策略。”周说。“过去，研究人员认为最强的晶粒尺寸约为10-15纳米。但是现在我们发现，我们可以在10纳米以下制造更坚固的金属。”

超越Hall-Petch关系

宫城说，对于大多数金属物体来说，金属颗粒的大小大约在几个到几百微米之间，大约是人类头发的直径。他说：“高端餐具通常会具有更细，更均匀的颗粒结构，可以使您获得更好的边缘。”

先前理解的金属强度和晶粒尺寸之间关系称为霍尔-帕奇（Hall-Petch）关系。根据Hall-Petch的研究，金属强度随着晶粒尺寸的减小而增加，下降到10-15纳米的极限。直径只有大约4到6股DNA链。低于该极限晶粒尺寸则并没有那么强。因此，为了使强度最大化，冶金学家总是寻求最小的有效晶粒尺寸。

周说：“细化晶粒尺寸是提高强度的好方法。因此，过去发现这种晶粒细化方法不再适用于低于临界晶粒尺寸，实在令人沮丧。”

低于10纳米弱化的解释与晶粒表面相互作用的方式有关。宫城说，谷物的表面与内部的原子结构不同。只要晶粒通过摩擦力保持在一起，金属就会保持强度。但是人们认为，在晶粒较小的情况下，晶粒会在应力作用下相互滑动，从而导致金属变弱。

但是，以前的技术限制阻止了直接在纳米颗粒上进行实验，从而限制了对纳米级颗粒行为以及在Hall-Petch极限以下是否仍有未利用的强度的了解。“因此，我们设计了这项研究来测量纳米金属的强度。”周说。

在压力之下

研究人员测试了镍的样品，镍是一种可用于多种纳米颗粒的材料，其尺寸可低至3纳米。他们的实验包括将各种晶粒度的样品在高压下置于钻石砧室中，并使用X射线衍射观察每个样品在纳米级发生的情况。

宫城说：“如果您曾经玩过弹簧，可能曾经用力拉得足以使弹簧毁坏，以致它无法发挥应有的作用。这基本上就是我们在这里所要测量的；我们要努力地推动这种镍，直到我们将其变形超过能够恢复的程度为止。”

强度一直增加到最小的可用粒度。3纳米样品承受了4.2吉帕斯卡（1Gpa=pa）的力，然后不可逆的变形。这比商业级晶粒尺寸的镍强十倍。

宫城说，这并不是霍尔-帕奇关系破裂的原因，而是在实验条件下，颗粒相互作用的方式是不同的。高压可能克服滑动效果。

他说：“如果将两个晶粒真正地推在一起，则它们很难彼此滑过，因为晶粒之间的摩擦变大了，并且可以抑制导致这种减弱的晶粒边界滑动机制。”

当在20nm以下的晶粒尺寸处抑制晶界滑动时，研究人员观察到一种新的原子尺度变形机制，该机制导致了最细晶粒样品的极端强化。

超强的可能性

周说，这项研究的一项进步是他们的方法以前所未有的方式测量了纳米级材料的强度。

宫城说，另一种进步是考虑强化金属的新方法，即对金属的晶粒表面进行加工以抑制晶粒滑动。

“在工业上，压力在这些实验中并不高，在工业上没有很多应用，但是实验显示压力是抑制晶界变形的一种方法，我们可以考虑采用其他方法来抑制它，也许是使用复杂的微结构，晶粒形状会阻止晶粒相互滑过。”