近日，中國科學院金屬研究所鈦合金研究部的周剛助理研究員（共同一作）、王皞副研究員與美國太平洋西北國家實驗室的Li Dongsheng教授（通訊作者）、宋淼博士（共同一作）以及密歇根大學的魯寧博士（共同一作）等人合作，采用高分辨原位透射電鏡和分子動力學模擬方法，在原子尺度揭示了兩種五重孿晶的形成機理。相關研究成果于2020年1月3日在《科學》（Science）在線發表。 

作為一種重要的孿晶結構，五重孿晶在晶體生長、生物醫學、光學和催化等領域均有著廣泛的應用。比如，五重孿晶結構所引入的晶格畸變可以增加納米線的楊氏模量；五重孿晶銅納米線在還原CO2制備甲醇的過程中表現出優異的催化性能等。盡管自G.Rose于1831年在金中發現五重孿晶以來，科研人員已在近百種材料中發現了五重孿晶結構并開展了大量的基礎和應用研究，但由于無法在原子尺度直接觀察形成過程，其形成機理至今仍無定論。 

此次研究人員發現，在～3nm Au、Pt和Pd納米顆粒的聚集生長過程中，納米顆粒可以通過顆粒間的取向粘附（Orientation attachment，OA）形成起始的兩個孿晶界面，然后經原子表面擴散和高能晶界形成及分解（機理1）或不全位錯的滑移（機理2）形成五重孿晶結構。兩種形成機理主要取決于顆粒取向粘附后所形成表面結構。如果經取向粘附后，形成的凹面夾角接近90°，則為機理1；如果形成的凹面夾角接近150°，則為機理2，其具體的形成過程如下： 

機理1：通過取向粘附、原子表面擴散以及隨后的高能晶界的形成和分解。首先，經顆粒取向粘附過程形成起始的兩個Σ3孿晶界面以及一個～90°凹面；這種較大曲率的凹面將促使表面原子的擴散到該處進而形成第三個Σ3孿晶界和Σ27高能晶界；最終通過孿晶極附近零應變孿晶的形核及生長，Σ27分解成另外兩個Σ3孿晶界并形成五重孿晶結構。該機理可形成較為對稱的五重孿晶結構。 

機理2：通過取向粘附和不全位錯的滑移或晶界分解。當取向粘附過程形成的凹面夾角為～150°時，通過在表層原子中不全位錯的滑移或Σ9晶界的分解即可實現五重孿晶的形成。不全位錯的繼續滑移可促使孿晶界面向晶粒內部遷移，但也伴隨著晶格應變能增大，因此該機理主要形成不對稱的五重孿晶結構。在后續的生長過程中，五重孿晶對稱性的演化可通過與其他納米顆粒的聚集長大實現。 

圖1 五重孿晶形成機理1：通過取向粘附、原子表面擴散以及隨后的高能晶界的形成和分解（零應變孿晶成核和生長）

圖2 Σ27分解為Σ34和Σ35

圖3 五重孿晶形成機理2：通過取向粘附和不全位錯的滑移或晶界分解

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/367/6473/40