中国科学院首次发现纳米尺度下 Kelvin 晶体，颠覆金属稳定性认知

本站 3 月 1 日消息，中国科学院金属研究所研究员李秀艳团队在研究纯铂晶粒时，首次发现了纳米尺度下 Kelvin 晶体的存在，并证实 Schwarz 晶体是一种比 Kelvin 晶体更稳定、更普遍的亚稳态结构。

该研究揭示了极小尺寸纯铂晶粒的几何形状与稳定性之间的密切关系，为纳米多晶金属材料的设计与性能优化提供了全新理论框架。

百年理论突破：从 Kelvin 到 Schwarz 的范式转移

科学家的 Kelvin 猜想，是设想了一种被截去顶角的八面体（截角八面体）形状的晶粒搭成的多晶材料，就像按照完美图纸搭好的积木城堡。

长期以来，Kelvin 猜想因其极小面条件及棱边、顶点处表面张力平衡的特点，被认为是一种描述金属中稳定晶粒堆垛的合理方案。基于该猜想构建的多晶材料结构，即 Kelvin 晶体，一直被视为金属中唯一可能的稳定形状。然而，李秀艳团队的研究挑战了这一传统认知。

李秀艳团队通过冷轧与低温高压扭转技术，将纯铂晶粒细化至不同尺度。透射电镜显示，Schwarz 晶体通过高密度孪晶网络与极小晶界面的协同作用，展现出更强的热稳定性。

4 纳米级：仍保持 Kelvin 晶体锐利棱角特征。这一发现首次在实验上证实了纳米尺度下 Kelvin 晶体的存在。

2-3 纳米级：晶界呈现随机流形结构，形成 Schwarz 晶体。这一发现表明，Schwarz 晶体是一种在纳米尺度下比 Kelvin 晶体更稳定、更普遍的亚稳态结构。

团队进一步研究揭示了两种晶体结构在热稳定性方面的显著差异。Schwarz 晶体由于其极小面的晶界与紧密排列的孪晶网络相结合，能够有效平衡晶格的各向异性和热涨落带来的驱动力，从而显著提升了结构稳定性。

相比之下，Kelvin 晶体在高温或热涨落被放大的情况下，由于其晶界能的各向异性，容易发生失稳。

该研究不仅证实了纳米尺度下 Kelvin 晶体的存在，更揭示了 Schwarz 晶体作为一种更稳定、更普遍的亚稳态结构在纳米多晶金属材料中的重要性。

这一发现对于理解晶粒几何形状及其晶界网络在纳米尺度上对稳定多晶金属的作用具有重要意义，为纳米金属材料的设计和性能优化提供了新的思路。

相关研究成果已以《纳米尺度上晶粒几何形状对多晶铂稳定性的影响》为题，发表在《物理评论快报》上。本站附论文地址：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.056101