青铜时代和铁器时代最早的铁匠发现，通过弯曲或锤击使金属变形，金属会变得更坚固。这一过程被称为加工硬化或应变硬化，至今仍在冶金和制造业中广泛使用，用于提高从汽车车架到架空电线等各种物品的强度。但材料科学家从未能够实时观察这一重要过程的进展——直到现在。

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的科学家团队首次观察到了驱动加工硬化基本过程的详细机制。

这项研究由哈佛材料研究科学与工程中心(MRSEC)进行，加深了对材料强度的了解，这可能会对材料设计和制造产生广泛的影响。

“加工硬化在许多工业变形过程中都有应用，”SEAS应用物理学教授、该研究的资深作者FransSpaepen说道。“如今，大型计算机程序用于模拟加工硬化，但如果想让这些模型尽可能有效，我们需要更多地了解控制该过程的基本规律。这项研究为我们提供了一个实时了解加工硬化普遍过程的窗口。”

由于原子结构只能通过电子显微镜观察，因此无法实时观察金属的加工硬化。研究人员可以比较变形前后的结构，但对加工过程中发生的事情了解甚少。先前的研究表明，结构中的缺陷(称为位错)会形成缺陷网络，从而导致加工硬化。

“目前尚不清楚的是，这些原子晶体中导致硬化的缺陷之间的相互作用的全部复杂性，”前SEAS博士后研究员、MRSEC和该论文的共同第一作者IlyaSvetlizky说。

为了了解这一过程的关键部分，研究小组转向胶体晶体——比原子大10,000倍的粒子，在高浓度下会自发形成晶体结构。这些晶体用于模拟原子系统，因为它们具有相同的结构、经历相同的相变，并具有相同类型的缺陷。然而，胶体晶体非常柔软——甚至比果冻还要软100,000倍。

研究人员培育了这些由数​​百万个粒子组成的胶体晶体，并使用共聚焦光学显微镜观察每个粒子。当他们对这些晶体施加应变时，他们可以测量每个粒子的运动。

令人惊讶的是，这些胶体晶体经历了显著的加工硬化——甚至比任何其他材料都要强。事实上，当考虑到颗粒大小的差异时，这些超软材料比大多数金属都要坚固得多。

“我们没有想到硬球胶体晶体可以加工硬化，”MRSEC资助的Spaepen和Weitz研究生、论文共同第一作者SeongsooKim说道。“与普通金属相比，粒子之间的相互作用过于简单。事实上，我们发现这些软材料表现出异常明显的加工硬化，甚至比铜和铝等大多数金属还要明显。”

这是首次在胶体晶体中观察到加工硬化现象;它表明加工硬化过程主要受粒子的几何形状和缺陷控制。由于位错缺陷以及它们如何相互作用和纠缠，晶体变得更坚固。

这些观察揭示了加工硬化的普遍机制，该机制也将更普遍地适用于所有材料，甚至那些无法用光学显微镜研究的材料。这些软胶体晶体表现出如此大的加工硬化，因为它们可以包含非常高密度的这些缺陷。

“这项研究告诉我们材料如何变得更坚固的一些基本而普遍的东西。这些都是令人惊叹的材料：尽管它们非常柔软，但加工硬化使它们成为已知的最坚固的材料，”Mallinckrodt物理学和应用物理学教授、论文合著者DavidA.Weitz说。

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