在壓力下模擬3納米晶粒大小的鎳。彩色線表示部分或全部晶粒錯位。圖片：猶他大學
您看不到它們，但是周圍的大多數金屬（硬幣、餐具、甚至是支撐建築物和立交橋的鋼梁）都由微小的金屬顆粒組成。在足夠強大的顯微鏡下，您可以看到類似花崗巖臺面的互鎖晶體。
材料科學家早就知道，隨著組成金屬的晶粒尺寸變小，金屬變得更堅固。但是如果晶粒的直徑小於10納米，則材料會較弱，因為據認為它們會像沙子順著沙丘滑落一樣彼此滑過。金屬的強度有極限。
但是由猶他州大學前博士後學者周小玲（音，現為普林斯頓大學），地質學副教授洛厄爾·宮城（Lowell Miyagi）和中國上海高壓科學技術高級研究中心的陳斌領導的實驗表明，這並非總是如此。在晶粒直徑為3納米的鎳樣品中，在高壓下，樣品的強度隨著晶粒尺寸的減小而持續增加。
周和宮城說，結果是對金屬晶粒的各個原子如何相互作用的新認識，以及一種利用這些物理學方法獲得超強金屬的方法。他們的研究發表在《自然》上。
「我們的結果表明，製造超強金屬的一種可行策略。」 周說。「過去，研究人員認為最強的晶粒尺寸約為10-15納米。但是現在我們發現，我們可以在10納米以下製造更堅固的金屬。」
超越Hall-Petch關係
宮城說，對於大多數金屬物體來說，金屬顆粒的大小大約在幾個到幾百微米之間，大約是人類頭髮的直徑。他說：「高端餐具通常會具有更細，更均勻的顆粒結構，可以使您獲得更好的邊緣。」
先前理解的金屬強度和晶粒尺寸之間關係稱為霍爾-帕奇（Hall-Petch）關係。根據Hall-Petch的研究，金屬強度隨著晶粒尺寸的減小而增加，下降到10-15納米的極限。直徑只有大約4到6股DNA鏈。低於該極限晶粒尺寸則並沒有那麼強。因此，為了使強度最大化，冶金學家總是尋求最小的有效晶粒尺寸。
周說：「細化晶粒尺寸是提高強度的好方法。因此，過去發現這種晶粒細化方法不再適用於低於臨界晶粒尺寸，實在令人沮喪。」
低於10納米弱化的解釋與晶粒表面相互作用的方式有關。宮城說，穀物的表面與內部的原子結構不同。只要晶粒通過摩擦力保持在一起，金屬就會保持強度。但是人們認為，在晶粒較小的情況下，晶粒會在應力作用下相互滑動，從而導致金屬變弱。
但是，以前的技術限制阻止了直接在納米顆粒上進行實驗，從而限制了對納米級顆粒行為以及在Hall-Petch極限以下是否仍有未利用的強度的了解。「因此，我們設計了這項研究來測量納米金屬的強度。」 周說。
在壓力之下
研究人員測試了鎳的樣品，鎳是一種可用於多種納米顆粒的材料，其尺寸可低至3納米。他們的實驗包括將各種晶粒度的樣品在高壓下置於鑽石砧室中，並使用X射線衍射觀察每個樣品在納米級發生的情況。
宮城說：「如果您曾經玩過彈簧，可能曾經用力拉得足以使彈簧毀壞，以致它無法發揮應有的作用。這基本上就是我們在這裡所要測量的；我們要努力地推動這種鎳，直到我們將其變形超過能夠恢復的程度為止。」
強度一直增加到最小的可用粒度。3納米樣品承受了4.2吉帕斯卡（1Gpa = 1000000pa）的力，然後不可逆的變形。這比商業級晶粒尺寸的鎳強十倍。
宮城說，這並不是霍爾-帕奇關係破裂的原因，而是在實驗條件下，顆粒相互作用的方式是不同的。高壓可能克服滑動效果。
他說：「如果將兩個晶粒真正地推在一起，則它們很難彼此滑過，因為晶粒之間的摩擦變大了，並且可以抑制導致這種減弱的晶粒邊界滑動機制。 」
當在20nm以下的晶粒尺寸處抑制晶界滑動時，研究人員觀察到一種新的原子尺度變形機制，該機制導致了最細晶粒樣品的極端強化。
超強的可能性
周說，這項研究的一項進步是他們的方法以前所未有的方式測量了納米級材料的強度。
宮城說，另一種進步是考慮強化金屬的新方法，即對金屬的晶粒表面進行加工以抑制晶粒滑動。
「在工業上，壓力在這些實驗中並不高，在工業上沒有很多應用，但是實驗顯示壓力是抑制晶界變形的一種方法，我們可以考慮採用其他方法來抑制它，也許是使用複雜的微結構，晶粒形狀會阻止晶粒相互滑過。」