近日，上海交通大学、金属基复合材料国家重点实验室苏益士副研究员，联合香港城市大学韩健助理教授、香港大学David J. Srolovitz讲席教授课题组历经3年多的合作努力，在晶体材料动力学领域取得了重要突破，相关研究成果以“Grain boundaries are Brownian ratchets”为题发表在Science上。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp1516。

       该工作通过分子动力学和晶体相场模拟，研究了晶界在不同类型和驱动力下的迁移行为，提出了大多数晶界迁移都是“布朗棘轮”，并通过实验观察证实了模拟结果，对于设计热机械加工工艺以调控材料微观结构具有广阔的应用前景。材料科学与工程学院2021届本科毕业生、现就读于香港城市大学材料科学与工程系邱蔡豪为论文第一作者，苏益士现负责张荻院士课题组计算模拟方向，德国德累斯顿工业大学科学计算研究所Marco Salvalaglio、美国加州大学尔湾分校材料科学与工程系潘晓晴、香港大学机械工程系David J. Srolovitz和香港城市大学材料科学与工程系韩健为论文共同通讯作者，香港城市大学为论文第一完成单位。

       近年来，随着纳米科技和材料科学的不断进步，高性能材料在微电子和光电子领域的需求日益增长。晶界作为影响材料性能的关键因素之一，其稳定性和迁移特性决定了材料的可靠性和耐久性。然而，晶界在传统材料中的迁移行为往往受到限制，无法满足日益严苛的应用要求。例如，晶界在高温下的快速迁移可能导致材料的过早失效；而在低温或应力变化条件下，晶界的迁移速率又可能过慢，无法实现材料的快速加工和成形；传统方法通过调整化学成分和微观结构来优化晶界迁移，但这些方法往往难以同时满足高性能和加工效率的需求，限制了材料的应用范围。针对这一挑战，研究团队在Science杂志上发表的论文中，提出了一种创新的晶界迁移机制——布朗棘轮运动。通过深入研究晶界在非对称应力场和温度场中的迁移行为，团队发现晶界可以在没有净驱动力的情况下实现单向迁移，这一发现类似于在非平衡条件下实现定向运动的布朗棘轮。研究团队通过分子动力学模拟和晶体相场模拟，揭示了晶界迁移的非对称性和方向依赖性，并通过实验观察验证了理论预测。这一突破性发现不仅为理解晶界的基本物理行为提供了新的视角，也为开发新型高性能材料提供了可能，这些材料能够在保持优异的力学性能的同时，实现精准快速的晶界迁移，从而满足先进电子器件和结构材料的苛刻要求。

       合作研究团队发现，晶界在受到振荡驱动力或循环热退火时，表现出布朗棘轮运动的特性。对于非对称晶界，研究观察到在正向和反向驱动力作用下，晶界的迁移速率不同。例如，∑27[110]非对称倾斜晶界（ATGB）在铜中的迁移速率在正向驱动力下与反向驱动力下表现出显著差异。研究团队使用分子动力学（MD）模拟和晶体相场（PFC）模拟来研究晶界的迁移行为，涵盖了不同晶界类型和驱动力在双晶和多晶微观结构中的影响。通过Markov链模型来分析晶界迁移的机制，揭示了非对称的晶体学结构和对应的非对称最小能量路径是决定晶界显现方向性迁移的原因。另外，结合稳定和振荡驱动力以及循环退火效应对经典晶界迁移方程进行了唯象地修正，可对材料微结构设计与热机械加工提供更具体的指导。该研究成果不仅深化了对晶界迁移行为的理解，还为材料科学领域提供了新的设计理念和技术途径，为未来的高性能材料和智能器件的开发提供了坚实的科学基础。

       该项研究工作得到了国家重点研发计划2021YFA1200202（J.H.）、国家重点研发计划2022YFB3708900（Y.S.）、香港研究资助局CityU21213921（J.H.）的杰出青年学者计划（ECS）、陆军研究办公室(ARO) W911NF-19-1-0263 (X.P.)、香港研究资助局优配研究金（GRF）17210723 (D.J.S.)、Deutsche Forschungsgemeinschaft（DFG，德国研究基金会）447241406（M.P.和M.S.）以及国家自然科学基金51971132和52192595（Y.S.）的资助。

图1. 相反方向驱动力下的GB迁移

图2. 相反驱动力下晶界迁移率的比较

图3. 定向晶界迁移的解释

图4. 晶界布朗棘轮运动演示