近日，中國科學(xué)院金屬研究所鈦合金研究部的周剛助理研究員（共同一作）、王皞副研究員與美國太平洋西北國家實驗室的Li Dongsheng教授（通訊作者）、宋淼博士（共同一作）以及密歇根大學(xué)的魯寧博士（共同一作）等人合作，采用高分辨原位透射電鏡和分子動力學(xué)模擬方法，在原子尺度揭示了兩種五重孿晶的形成機理。相關(guān)研究成果于2020年1月3日在《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表。 

作為一種重要的孿晶結(jié)構(gòu)，五重孿晶在晶體生長、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)和催化等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。比如，五重孿晶結(jié)構(gòu)所引入的晶格畸變可以增加納米線的楊氏模量；五重孿晶銅納米線在還原CO2制備甲醇的過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能等。盡管自G.Rose于1831年在金中發(fā)現(xiàn)五重孿晶以來，科研人員已在近百種材料中發(fā)現(xiàn)了五重孿晶結(jié)構(gòu)并開展了大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，但由于無法在原子尺度直接觀察形成過程，其形成機理至今仍無定論。 

此次研究人員發(fā)現(xiàn)，在～3nm Au、Pt和Pd納米顆粒的聚集生長過程中，納米顆粒可以通過顆粒間的取向粘附（Orientation attachment，OA）形成起始的兩個孿晶界面，然后經(jīng)原子表面擴散和高能晶界形成及分解（機理1）或不全位錯的滑移（機理2）形成五重孿晶結(jié)構(gòu)。兩種形成機理主要取決于顆粒取向粘附后所形成表面結(jié)構(gòu)。如果經(jīng)取向粘附后，形成的凹面夾角接近90°，則為機理1；如果形成的凹面夾角接近150°，則為機理2，其具體的形成過程如下： 

機理1：通過取向粘附、原子表面擴散以及隨后的高能晶界的形成和分解。首先，經(jīng)顆粒取向粘附過程形成起始的兩個Σ3孿晶界面以及一個～90°凹面；這種較大曲率的凹面將促使表面原子的擴散到該處進而形成第三個Σ3孿晶界和Σ27高能晶界；最終通過孿晶極附近零應(yīng)變孿晶的形核及生長，Σ27分解成另外兩個Σ3孿晶界并形成五重孿晶結(jié)構(gòu)。該機理可形成較為對稱的五重孿晶結(jié)構(gòu)。 

機理2：通過取向粘附和不全位錯的滑移或晶界分解。當(dāng)取向粘附過程形成的凹面夾角為～150°時，通過在表層原子中不全位錯的滑移或Σ9晶界的分解即可實現(xiàn)五重孿晶的形成。不全位錯的繼續(xù)滑移可促使孿晶界面向晶粒內(nèi)部遷移，但也伴隨著晶格應(yīng)變能增大，因此該機理主要形成不對稱的五重孿晶結(jié)構(gòu)。在后續(xù)的生長過程中，五重孿晶對稱性的演化可通過與其他納米顆粒的聚集長大實現(xiàn)。 

圖1 五重孿晶形成機理1：通過取向粘附、原子表面擴散以及隨后的高能晶界的形成和分解（零應(yīng)變孿晶成核和生長）

圖2 Σ27分解為Σ34和Σ35

圖3 五重孿晶形成機理2：通過取向粘附和不全位錯的滑移或晶界分解

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/367/6473/40