为了完全弄懂纳米材料的性质，就必须要理解量子变形机制，它决定了纳米材料的结构，从而决定了纳米材料的强度和功能。

来自匹兹堡大学、德雷塞尔大学和佐治亚理工大学的研究人员设计了一种新的方法，能观察和研究这些机制，并在一种著名的材料，钨，中发现了很有趣的现象。他们是第一个在体心立方（bcc）钨纳米晶体中观察到原子尺度形变孪晶的团队。

该团队通过高分辨率透射电子显微镜和复杂的计算机建模才观察到这一现象。这项工作发表在《自然·材料》上，在纳米材料力学行为研究中具有里程碑似的意义。

形变孪晶是一种与位错滑移同时发生的变形，材料在不被破坏的情况下发生畸变。在形成双晶的过程中，晶向会发生改变，因而在晶体中的某个区域会形成原晶体的镜 像。双晶现象已在大尺度的金属与合金晶体的形变过程中观察到了。不过在体心立方的纳米晶体中是否会发生双晶现象尚未有定论。

“为了深入了解体心立方纳米晶体的形变现象，”论文的通讯作者Scott X. Mao说道。“我们综合考虑了原子尺度的图像和仿真模拟，结果表明，由于纳米体心立方晶格缺乏其他的形变机制，因此双晶形变在大部分情况下占主导地位。

该团队将钨晶体作为典型的bcc（体心立方）晶体来研究.钨最广为人知的一个用途就是作为白炽灯中的灯丝。

 

透射电子显微镜得到的图像显示了钨纳米线中的双晶现象

原子尺度的机械双晶（形变孪晶）是通过TEM(高分辨率透射电子显微镜)观察到的。这类研究在过去是非常困难的，因为TEM要求尺寸小于100nm的bcc样品。匹兹堡大学的研究生，论文的主要作业，Jiangwei Wang想出了一个非常巧妙的办法来制备bcc钨纳米线。在TEM中，Wang将两个非常小的独立的纳米级钨晶体连接起来，制备出了直径约为20nm的纳米线。这种纳米线完全满足伸展和压缩的强度要求，这样，Wang就能真实地观察到双晶现象了。

为了更好的理解Mao和Wang的团队所观察到的现象，德雷克塞尔大学工程系的助理研究员Christopher R. Weinberger制作了一个计算机模型，能清楚地展示钨纳米结构的机械性质(在原子尺度上）。他的计算机模型让团队能直观地看到形成双晶过程中的物理因素。这些信息能帮助研究人员解释为什么在纳米钨晶体中会发生这中现象，并为测量其他bcc材料的性质提供基准。

“我们正测试我们的原子尺度模型的运行方式是否和实验中的钨样品一致，这将有助于我们反过来解释造成这种现象的机制，” Weinberger说。“我们特别想弄清楚为什么纳米结构具有双晶现象，但体相钨金属却没有。”

根据Weinberger的模型，佐治亚理工大学机械工程系的助理教授Ting Zhu和他的研究生Zhi Zeng利用先进的计算机模拟，并基于分子动力学的理论基础来研究3维的形变过程。

Zhu的模拟结果表明钨“越小强度越大”的现象在实际应用中并不是没有弊端。

计算机模型显示了钨纳米线发生双晶形变的过程。

“如果你将晶体的尺寸降低到纳米级，那么你能提高强度几倍甚至是几个量级，” Zhu说道。“但是代价就是延展性会有很大的下降。我们想在不影响延展性的情况下提高纳米结构金属或合金的强度。为了实现这一目标，我们需要理解形变控制机制。”

Mao补充说，双晶形变机制与纳米材料中由错位、成核机制的塑性形变相对应。我们的研究结果让我们有动力对这方面做进一步的研究，当然纳米级金属与合金的形变机制的模型修正我们也会跟进，到最后我们要设计出强度最大的纳米结构材料。

Zhu 说：“我们关于双晶形变机制的发现能帮助我们提高材料的电导率，这点通过设计bcc纳米晶体的双晶结构就可以实现。”

新材料在线编译整理—— 翻译：木成