本报讯（记者张楠）为了破解困扰材料学界多年的“尺寸软化”难题，中国科学院金属研究所研究团队与辽宁材料实验室研究团队合作，提出并实现了“纳米负能界面”强化新策略，在镍基合金中成功构筑极高密度稳定界面，显著提升材料刚度，使材料强度逼近理论极限。相关研究成果近日发表于《科学》。
金属是由无数个微小的像冰糖块一样的晶粒组成的，晶粒越小，晶粒之间的“墙”，即晶界就越多，金属就越难变形，强度就越大。这就像用很多小砖块砌墙，比用几块大石头堆的墙结实得多。但这个方法有个极限：当晶粒尺寸降至10~15纳米时，晶界会发生滑移、迁移等塑性变形，导致金属在应力下变软。这就像用沙子砌墙，沙子太细就粘不住了。
研究团队在镍基合金中，通过电化学沉积结合非晶晶化方法，让金属原子以面心立方和密排六方这两种极其紧密的方式交替堆叠，原子就像采用榫卯结构连接，层与层之间仅有0.7纳米，约两三个原子的宽度，形成了一种使内部更稳定、更优的结构，材料内部总能量不但没有增加，还降低了“负能界面”。
这种充满“负能界面”的新型金属的屈服强度高达5.08吉帕，远超传统纳米晶与纳米孪晶镍基材料，接近理论强度极限，可以和许多高性能陶瓷相媲美。更难得的是，它的杨氏模量（衡量材料抵抗弹性变形能力的指标，即刚度）也大幅提升，达254.5吉帕，甚至超过了同成分的非晶金属和金属化合物。这意味着它不仅更难被压坏，也更难被弹性压弯，实现了“又强又韧”。
“纳米负能界面”强化策略可广泛应用于多种材料体系。该成果首次揭示了通过构筑极限尺度的稳定“负能界面”，可以有效调控晶体材料的原子键合状态，从而同时实现材料强度和模量的跨越式提升。
相关论文信息：
10.1126/science.aea4299
