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何战兵等首次发现原子团簇的“旋转木马跳”

作者: 日期:2021-09-08 来源:
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近日,北科大新金属材料国家重点实验室何战兵教授与巴黎综合理工大学(Ecole polytechnique)的Jean-Luc Maurice,中科院物理所的王岩国,沈阳金属研究所的马秀良,瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)的Walter Steurer教授合作,利用原位高温透射电子显微镜对十次准晶在高温下的原子跳跃行为进行了研究,首次发现了原子团簇具有类似于“旋转木马”的取向跳跃运动。国际准晶研究权威W. Steurer教授认为这是一项“Excellent(杰出的)”的研究成果。该研究近日发表在经典的晶体学专业期刊Acta Cryst. A上,并被精选为该期唯一一篇“Advances”文章和封面文章。我校为该文第一单位,何战兵教授为该文的第一作者及通讯作者。

准晶是以色列科学家D. Shechtman在1984年发现的一种不具有平移周期对称性但具有长程取向有序的非周期晶体,D. Shechtman也因此获得2011年诺贝尔化学奖。在准晶体中,原子团簇的跳跃跟准晶相位子缺陷的形成和准晶体的生长都密切相关。前期的原位高温透射电镜实验也直接证实了准晶体中原子团簇在高温下具有跳跃行为,然而这些原子团簇的跳跃跟大多数热激发原子的跳跃一样是无序的。

何战兵等在将Al60Cr20Fe10Si10十次准晶加热到800C时,发现在一些直径约为2 nm的大十边形结构块内的原子团簇具有类似于“旋转木马”的方向性跳跃行为。而且这些原子团簇的跳跃发生在直径为0.77 nm的小十边形上,且跳跃的位置可以用简单的数学公式明确描述。这一原子团簇的取向跳跃行为类似于旋转木马的运动,因而称为原子团簇的“旋转木马跳”。原子团簇的跳跃大多顺时针方向进行,偶尔也会观察到原子团簇沿逆时针的连续跳跃。但这些顺时针和逆时针的连续跳跃都在发生在2 nm大十边形内的直径为0.77 nm的小十边形上,且可以同时进行。研究人员分析认为,原子团簇的这种取向跳跃行为既与结构块在几何上的合理安排有关,也有可能跟带电粒子受到电子显微镜中磁场的影响相关。这种完全不同于以往的微观粒子规律性跳跃为利用原子和原子团簇的来调控材料微结构提供了科学依据。

该工作得到国家自然科学基金(51871015,51471024)和国家留学基金委的支持。论文如下:Zhanbing He*,Jean-Luc Maurice, Haikun Ma, Yanguo Wang, Hua Li, Tiantian Zhang, Xiuliang Ma, Walter Steurer, Experimental observation of carousel-like phason flips in the decagonal quasicrystal Al60Cr20Fe10Si10, Acta Cryst. (2021). A77, 355–361。论文详见:https://doi.org/10.1107/S2053273321007518

期刊封面

Al60Cr20Fe10Si10系十次准晶中原子团簇在高温下的“旋转木马跳”。图a-d,原子团簇的跳跃行为。图e,D2十边形内的原子团簇的跳跃行为示意图,最上排最外圈为2 纳米十边形,内圈直径为0.77nm。原子团簇的跳跃发生在直径为2 nm的十边形内的小十边形上(直径为0.77nm),跳跃位置在图e中标注的1,2,3...10这十个位置上进行。图f总结了两组顺时针跳跃,分别用红,蓝两种颜色表示。图g,高温下十次准晶沿十次方向的选区电子衍射图;图h,i,两种2 nm十边形结构块的原子级高角环形暗场-扫描透射电子显微像。图中表格总结了D2十边形内的原子团簇在不同时间的位置变化,可以看出跳跃位置具有明显的取向性,见蓝色和红色箭头所示。