PNNL可视化金属的原子级变化 以定制设计下一代金属

盖世汽车 通过研究物理学，金属制造或可实现更持久的电池和更轻的车辆。据外媒报道，太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究人员正在通过直接观察发生剪切变形的金属的原子级变化来研究物理力对金属的影响。

图片来源：PNNL

在剪切变形过程中，施加以改变金属形状的力也会重新排列其原子，但对每种金属或合金的方式不同。原子排列会影响金属特性，如强度、可成形性和导电性，因此更好地了解原子在剪切过程中的移动方式是定制具有从原子向上的特定特性的下一代金属的关键。

通过使用剪切辅助加工和挤压（ShAPE）可改善金属特性，而上述可视化可为理解这一过程奠定基础，是PNNL在金属制造领域的重大创新。在ShAPE制造过程中，使用剪切力加工金属可以生产用于车辆和其他应用的高性能金属合金。

PNNL实验室研究员兼究诱导剪切变形力研究小组负责人Chongmin Wang表示：“如果我们了解剪切变形期间金属原子级的行为，我们可以利用这些知识来改进无数其他金属承受相同力的应用，从提高电池寿命到设计具有特定特性的金属，例如更轻、更强的合金，从而更高效的车辆。”

物理力量是普遍的。在金属制造过程中施加以制造合金的力与可能损坏电池内部结构以导致最终故障的力相同。研究人员还知道，剪切变形可以从根本上改变金属的微观结构，从而真正改善材料，使金属更坚固、更轻、更灵活。但具体如何发生还尚未可知。

为了观察剪切变形如何重新排列金属原子，研究人员在PNNL的透射电子显微镜内使用了一个专门的探针，使用显微镜记录了金属内各行原子在剪切变形过程中是如何移动的。首先关注的是黄金，因为该金属最容易在原子水平上可视化。

当观察黄金经历剪切时，研究人员看到黄金晶体被分成更小的颗粒。他们注意到金原子排列中的自然缺陷改变了剪切变形移动原子的方式。缺陷在变形过程中在金属中很常见，但在所有金属中的表现并不相同，会直接影响金属性能。

PNNL博士后Shuang Li表示：“金属中晶体、晶粒尺寸和微观结构的缺陷会影响金属的特性，如强度和韧性，因此了解剪切变形如何移动金属原子并影响金属的整体微观结构非常重要。”

接下来，研究小组对铜进行了研究。他们观察了剪切变形如何产生纳米孪晶，即使金属更坚固的结构特征。在观察铜和铌的合金时，他们发现剪切变形对金属混合物中铜和铌相内的原子会产生不同的影响，因此或可获悉如何使用剪切变形制造具有特定特性的合金。

在受控制造过程中研究这些力如何影响金属可以直接转化,并应用到所有金属经历相同物理力的地方。例如，PNNL的原子级可视化功能有助于了解极端条件（例如核反应堆）或清洁能源应用（例如氢气传输线和储罐）中使用的材料如何响应外部压力。通过更好地了解金属制造的原子物理学，未来可以打造出更持久的电池、用于高效车辆的更轻合金，以及定制设计具有更高强度和导电性的下一代金属。