【物化】晶界相變的新類型

2021-02-15 X-MOL資訊

Kosterlitz和Thouless因為拓撲相變方面的工作，被授予了2016年的諾貝爾物理學獎。拓撲的概念也在現代科學中扮演著重要的角色。大多數金屬和陶瓷是晶體，完美的晶體具有相同的周期性結構。大多數晶體是由不同的晶粒組成的，所有這些晶粒都具有相同的原子結構，但取向彼此不同。晶粒之間的邊界、晶界，對材料性質有著很大的影響。美國賓夕法尼亞大學陳孔韜博士及其合作者，通過位錯的統計物理模型和蒙特卡洛模擬，說明了晶界上也存在Kosterlitz-Thouless類型的拓撲相變，並闡明了這個相變對晶界動力學、形態和超塑性的影響。晶界上的位錯的形成和遷移，控制著晶界和多晶材料的許多動力學和動力學特性。陳孔韜等證明，晶界經歷了Kosterlitz-Thouless類型的有限溫度拓撲相變。在相變溫度以上，位錯之間的長程相互作用被屏蔽。這個相變導致晶界遷移速度、滑動速度和roughness的突然變化。陳孔韜等通過平均場理論、重正化群理論和動力學蒙特卡羅模擬來分析這種拓撲相變（圖1-2），並研究這種相變如何影響介觀尺度現象，如晶粒生長停滯、異常晶粒生長和超塑性（圖3）。

圖1. 重整化群理論中的晶界拓撲相變。圖片來源：PNAS

圖2. 動力學蒙特卡洛模擬中的晶界拓撲相變。圖片來源：PNAS

圖3. 晶粒生長停滯尺寸的溫度依賴性。圖片來源：PNAS這一成果近期發表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 上，文章的第一作者是陳孔韜博士。近年來，陳孔韜博士用統計物理、分子動力學、蒙特卡洛模擬等方法研究晶界動力學，以第一作者在PNAS、Acta Materialia 等發表多篇論文，取得令人矚目的進展。Grain-boundary topological phase transitionsKongtao Chen, David J. Srolovitz, and Jian HanPNAS, 2020, 117, 33077-33083, DOI: 10.1073/pnas.2017390117陳孔韜，賓夕法尼亞大學博士，師從美國工程院院士David Srolovitz，用統計物理、分子動力學、蒙特卡洛模擬等方法研究晶界動力學。曾獲Acta Student Award (結構材料學頂級刊物Acta Materialia的年度最佳學生論文獎)，President Gutmann Leadership Award (賓夕法尼亞大學授予頂尖研究生的獎項)，擔任Materials & Design 等期刊審稿人，並受邀在美國麻省理工學院、法國裡爾大學、美國勞倫斯伯克利國家實驗室等進行學術報告。以第一作者在PNAS、Acta Materialia等發表多篇論文，並被Justdial.com, Phys.org等國際媒體報導。

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