晶界的形態對多晶金屬的電阻率等性質有著重要影響，但目前仍缺乏簡單有效的表征手段。MIT的科學家們開發出了新的測試方法，結合光鏡和電鏡，能夠看穿多晶金屬的一切。

    圖注：左側粉色圖為光學顯微鏡結果，右側為電子背散射結果。

    多晶金屬材料不是單一的大晶體，而是由多個小晶體隨機排列而成的，在諸如核反應堆、民用基礎設施、飛機等方面應用廣泛。然而研究它們的晶體結構和晶界等細節一直十分困難。

    近日，就職于麻省理工學院（MIT）等地的研究人員開發出一套新方法，可以提供多晶金屬微觀結構的詳細信息。這一新的研究成果由MIT的Matteo Seit博士、Michael Demkowicz教授、Christopher Schuh教授以及其他五位研究人員共同完成并發表。

    Seita和其團隊致力于解決材料學中最常見的問題之一：“我們如何以高通量方式量化一種材料的特征。我們開發的新方法是不同的技術的獨特組合。”

    有些方法能夠提供關于結構的大量細節，但它們非常耗時，且不能捕捉到材料中的快速變化。另一些方法很快速，但提供的細節很少。還有一些方法能夠提供空間和時間上的細節，但卻很昂貴或者只能在特定的地方可用。Seita說，新方法將多種技術重新組合，可以提供快速、高分辨率和低成本的成像結果，從而打破這些限制。

    在由許多小的晶粒組成的多晶金屬的相關研究中，關鍵是知道位置、尺寸、接觸角度，以及不同晶粒構成材料時的其它特征。特別是晶粒之間的界面，即晶界。Seita說：“對于材料的許多特征屬性，如強度、耐輻射度、硬度、電阻等，晶界都是至關重要的。但這些屬性難以用實驗表征，因為它們非常復雜。”

    研究人員需要對晶界的五個基本特征量化，但多數研究工具只能得到兩到三個參數的部分信息。高能同步輻射可以一次得到全部的五個特征，但這種設備較少價格昂貴且有被過度定購的趨勢。

    “我們的解決方案是設法創建一個任何人都可以使用的，在他們自己的實驗室中利用軟件和硬件便可輕松獲得的簡單方法。”Seita說到。他們利用現有的光學顯微鏡和電子顯微鏡兩種方法進行組合，成功實現這一目的。

    “我們采用兩個不同的數據集，并用數值圖像分析將它們結合。”Seita解釋說。他們使用了多晶的金屬箔片，薄到可以從兩側看到單個晶粒。然后他們在其中一側拍攝光學顯微鏡圖像，再快速翻過來拍另一側，之后用軟件將兩側的晶界對應起來。這樣便可重建這些晶界的三維取向。

    然后，這些信息被與描述晶粒內原子的真實排列的電子顯微鏡圖像相結合，即可呈現各個晶胞的取向，以及它們與相鄰晶粒的關聯。組合后的信息提供了金屬箔晶界的全部的五個特征量。

    Seita稱：“這樣做的妙處是，它是一種高通量技術。在一個樣品中，可以測量的晶界多達500個左右，并且可以迅速地建立數據集。”現有的檢測方法在檢測過程中會消耗樣品，而這種新方法屬于無損檢測，這意味著樣品可以繼續接受其它測試，比如力學或電學特性檢測，其結果可與晶界的數據相比較。

    Seita說：“這種新的方法非常普適，所以外面的很多研究組都可以使用。更重要的是，盡管最初的測試樣品是多晶金屬，但該方法不局限于特定材料，也可以應用到絕緣體或半導體上。我們可以測試不同種類的屬性，并建立大型數據集，并最終利用這些數據來預測新型多晶材料的特性。”

    “對于設計有特殊用途的材料，我們可以計算出所需要的晶界，并計算出如何構造具有這樣晶界的材料。”Seita如是說到。通過改造材料操控這些晶界的特性，以增加它們的豐度或相對指向，可使材料屬性產生顯著變化。例如，該方法可以用來找出如何減少暴露于惡劣環境中的金屬的腐蝕速率，如石油或天然氣鉆井設備等。

    新墨西哥州桑迪亞國家實驗室的資深成員Brad Boyce這樣評價這項工作：“在晶體結構的大數據量快速表征方面，是激動人心的一步。晶界能廣泛影響材料性質，從材料的形變到電阻率……但材料科學家發掘晶界特征的技術手段有限。現在有了這種新技術，我熱切地期望看到這項成果在提供快速、高通量表征方面進一步的發展，特別是在光鏡分辨率限制下用于破譯局域晶界特征方面。”