为了开发先进材料，必须深入了解其底层微观结构和化学性质。了解缺陷如何影响微观结构和化学成分之间的相互作用至关重要，因为它们是由于腐蚀或裂纹萌生而导致材料失效的入口。

马克斯普朗克研究所 (MPIE) 的科学家现已开发出一种工作流程和代码来分析和解释钢中的二维缺陷(称为晶界) 。他们发现某些有序的原子图案(材料中最小的结构层次水平)控制着晶界最重要的化学性质。这些原子图案的设计为更耐用、定制的材料铺平了道路。MPIE 研究人员在《自然通讯》上发表了他们的研究结果。

原子基序控制晶界的化学性质

“分析原子尺度的晶界面临的两个主要挑战是，首先，必须控制大量参数，以便了解每个参数对材料性能的影响。其次，用光观察轻元素非常困难。透射电子显微镜”，该出版物的第一作者、MPIE 原子探针断层扫描组副组长周旭阳博士解释道。

“我们开发了透射电子显微镜的工作流程和代码，其中涉及生长具有相同晶体取向但改变晶界平面的铁硼碳合金双晶。通过这种方式，我们能够控制干扰参数。解释数据，我开发了一种代码，可以帮助观察铁晶界中的硼和碳等轻元素。这实际上是我们第一次能够观察到铁等重金属晶界中的轻元素。”

研究人员表明，即使晶界平面的倾斜具有相同的取向差，也会影响微观结构的化学成分和原子排列，并使材料或多或少容易失效。

“到目前为止，还无法对钢中晶界原子图案中的轻元素和重元素进行成像。特别是，有序原子结构中的开放空间，即所谓的间隙位点，决定了晶界中轻元素的溶解度。这将在未来实现晶界化学状态的有针对性的设计和钝化，使它们摆脱作为腐蚀、氢脆或机械故障入口门的作用。” MPIE结构和材料纳米/微观力学系主任。

科学家们还使用机器学习来分析通过原子探针断层扫描获得的数据中的晶界成分。断层扫描显示了不同元素在晶界中的分布情况，为结构-成分相关性的统计分析提供了可能性。

后续步骤：模拟和现场测试

研究人员团队目前正在与 MPIE 的计算材料设计部门合作，使用开发的代码和实验数据来模拟硼、碳或氢等轻元素在材料中的行为。

此外，周和他的同事正在开发透射电子显微镜中的原位加热和拉伸测试装置，以进一步分析不断变化的外部条件下的晶界行为。这项研究为根据原子尺度结构特性理解晶界的化学性质提供了直接的实验证据。

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