迈向缺陷工程在原子尺度上识别通用结构

材料在特定条件下会如何表现?以及如何使材料更坚固?这两个问题对于设计用于结构和功能部件及应用的先进材料至关重要。仔细观察底层原子结构，尤其是它们的缺陷对于理解和预测材料行为是必要的。

导电率、强度和抗断裂性例如受晶界影响。众所周知，晶界——尽管是缺陷——有自己的有序原子结构，可以影响甚至支配材料特性。然而，他们的实验观察需要精确且耗时的原子分辨率成像，并且仅限于对特定个案的调查。

但这些案例是否适用于所有金属?马克斯普朗克能源研究所(MPIE)的一个研究团队利用计算机模拟表明，相同的原子排列出现在一整组金属中，即面心立方金属，从而证明实验中研究的“特例”是不是真正的异国情调，而是常见的。

这意味着许多以前的发现可能具有普遍性，并且可以快速适应不同的材料，从而节省重复实验的时间和成本。研究人员现在在PhysicalReviewB杂志上发表了他们的研究结果，他们的文章被选为编辑选择。

通过模拟研究原子结构的出现规则

材料性能主要受底层微观结构及其缺陷的影响。通过操纵这些缺陷，即所谓的“缺陷工程”，科学家们将能够改善材料的整体性能。

研究前沿已经从理解微米尺度上的这些缺陷扩展到理解最小尺度的结构，即不同缺陷内原子的排序。这使得实验具有挑战性。原子结构可以在非常高的分辨率下解析，但随后样本量变得非常小并且样本数量有限。

或者，使用宏观样品，但它们内部的缺陷结构仍然未知。例如，如果可以在单个晶界检测到有趣的现象，我们如何知道样品中的所有晶界是否都表现出相似的结构或行为?

“这就是我们模拟的作用。我们已经从实验观察中知道，某些材料中的某些晶界显示出某些有序的原子结构，这些结构要么是稳定的，要么是亚稳态的。我们的问题是这些原子结构及其发生的规律是否存在?所有金属的热力学特性，”TobiasBrink博士说，他是材料界面原子建模组的负责人，也是该出版物的第一作者。

研究团队在fcc金属镍、铜、钯、银、金、铝和铅上以高通量方法使用具有经典原子间势的原子模拟。他们发现了两类特殊晶界几何结构的晶界结构。

这两个家族存在于所有fcc金属中，可以通过它们的密度和原子排列来区分。科学家们还能够证明，即使使用不包含真实键合物理的高度简化模型，这些结构也会出现，这表明这些结构是原子排列几何结构的结果。然而，热力学稳定性仍然是材料特有的。

研究人员现在的目标是将他们的发现扩展到合金而不是纯金属。这使得模拟和实验变得更加复杂，但同时也是理解和调整现实生活组件中材料的必要步骤，这些组件通常通过合金化来适应其应用。