双晶Ni-Co纳米颗粒的压缩强度：原位实验与原子模拟揭示孪晶界对力学行为的影响机制

推荐：研究人员针对固态去湿法制备的Ni-Co纳米颗粒中孪晶界(CTB)对力学性能的影响机制不明问题，结合纳米力学测试、先进表征和原子模拟，发现CTB对颗粒强度、韧性及溶质软化效应均无显著影响，揭示了位错成核与CTB相互作用的原子机制，为纳米材料设计提供了理论依据。

　　

在纳米材料领域，金属纳米颗粒因其接近理论极限的力学强度备受关注。通过固态去湿(solid-state dewetting)制备的单晶纳米颗粒已被证实具有超高的单轴压缩强度，可达金属剪切模量(G)的1/30至1/2π。然而，部分颗粒中存在的共格孪晶界(coherent twin boundary, CTB)是否会影响其力学性能，一直是未解之谜。这个问题不仅关乎基础科学认知，更对纳米器件的可靠性设计至关重要。

以色列理工学院的研究团队选择Ni-50Co合金体系（50 at.% Co），通过系统的实验与模拟相结合的方法，首次揭示了CTB平行于基底时对纳米颗粒力学行为的调控机制。研究发现，无论是否存在CTB，纳米颗粒均表现出相似的强度、韧性以及溶质软化(solute softening)效应，这一突破性成果发表在《Materials》期刊上。

研究采用三方面关键技术：首先通过固态去湿法在蓝宝石基底制备Ni-Co纳米颗粒，利用聚焦离子束(FIB)制备包含9个颗粒的TEM样品鉴定双晶结构；其次采用原位纳米力学测试平台(Hysitron PI85)进行位移控制压缩实验；最后运用分子动力学(MD)模拟结合LAMMPS软件，构建Wulff形状和"实验型"两种纳米颗粒模型，分析位错演化过程。

3.1 双晶形貌特征
通过STEM和电子衍射证实，Ni-50Co颗粒仅存在平行基底的II型CTB。与单晶颗粒相比，双晶颗粒侧面的{111}和{200}晶面分布不对称，且在CTB-表面交线处形成局部凹形结构，这与MD模拟的Wulff构造结果一致。

3.2 双晶纳米颗粒力学性能
压缩测试显示，双晶与单晶颗粒的应力-应变曲线特征相似：均在约10%弹性应变后发生位错雪崩。强度-尺寸关系曲线表明，双晶数据完全符合单晶颗粒的幂律拟合，证明CTB不影响强度（如742nm双晶颗粒强度2.5GPa，CTB处应力仅1.0GPa）。

3.3 变形后微观结构
EBSD分析显示，变形后原始CTB部分转变为大角度晶界(HAGB)，其余保留孪晶关系的区域则呈现更高局部应变。位错主要积聚在晶粒内部形成位错胞，而CTB对位错吸收导致界面结构无序化。

3.4 模拟结果
MD模拟重现了实验现象：位错优先在顶/底面成核而非CTB处。在纯Ni中，位错雪崩导致CTB严重破坏（形成1-3个原子层高度的台阶）；而在Ni-Co合金中，较高的层错能(SFE)使位错更易穿过CTB。值得注意的是，"实验型"颗粒模拟显示，较大的顶/底面积会降低强度，但溶质软化趋势保持不变。

这项研究从根本上改变了人们对纳米材料强化机制的认知：在固态去湿法制备的纳米颗粒中，CTB既不是位错成核的优先位置，也不能有效阻碍位错运动。这一发现为先前大量纳米力学实验结果提供了合理解释——即使测试样本中混有双晶颗粒，其强度数据仍然可靠。从应用角度看，研究证实通过合金化（如添加Co）调控SFE，比引入CTB更能有效改善纳米材料的塑性变形能力。该成果对设计高性能纳米涂层和微机电系统(MEMS)器件具有重要指导价值。