纳米多孔金属变形机制的原位原子尺度研究

Nanoporous metals (NPMs) with high specific surface area and surface activity have recently attracted significant interest due to potential applications in various technological fields such as catalysis, sensors and actuators, energy harvesting and storage, and optics. This project is aimed to in virtue of aberration correction transmission electron microscopy (Cs-corrected TEM) and Gatan K2 Ultra-high speed direct detection camera, and combination of in-situ atomic-scale mechanical microscopy technique, to quantitatively study the atomic mechanisms of the size effect of microstructural evolution and related mechanical behaviors of NPMs. The research includes: 1) the brittle-to-ductile transition mechanisms of NPM at atomic scale; 2) the size effect of dislocation mechanisms during elastic-plastic deformation; 3) surface atomic diffusion and creep mechanisms of NPM. 4) the different plastic deformation mechanisms for various face-centered-cubic NPMs. This project is believed to reveal the novel phenomena and generate new concepts in the field of NPMs, and further provide reliable experimental data and theoretical foundation, to promote scientific research into the practical engineering applications.

纳米多孔金属材料具有极高的比表面积和表面活性，为许多应用领域的候选材料，如化学催化剂、激励与传感器、微纳器件、能源存储与转换以及组织工程领域。本项目借助球差矫正电镜、超高速直接探测相机，结合原子分辨率原位变形样品台，定量化研究应力、应变作用下纳米多孔金属结构演变和相关力学行为的尺寸效应的原子机制。研究内容包括：1）纳米多孔金属脆韧化转变的原子机制；2）位错机制在纳米多孔金属变形过程中的尺寸效应；3）纳米多孔表面扩散蠕变的原子机制；4）不同种类面心立方结构纳米多孔金属的塑性变形机制。该项目对发现纳米多孔金属材料塑性变形新现象、提出新概念意义重大，为该类材料从科学研究转入工程实际应用提供可靠的实验数据和基础理论支撑。

脱合金法制得的纳米多孔金属及其复合材料是一类结构功能一体化的新型金属材料，在力电驱动、多相催化、能源技术等领域具有巨大的应用潜力。围绕功能导向纳米多孔金属材料的显微结构与性能，项目组展开了系统的研究工作，不仅在纳米多孔金属变形微观机制方向圆满完成既定任务，而且在相关研究方向如纳米多孔金属的脱合金动力学，纳米多孔金属基复合材料界面结构特性、纳米多孔金属有机框架材料生长机理等取得了一些早期研究成果。包括：（1）国际上率先研究原子点阵分辨率下纳米多孔金属的原位力学行为与性能，针对韧带尺寸效应对其塑性变形行为的影响机制，发现了表面原子扩散和体内位错滑移协同作用导致其塑性失稳的韧带临界尺寸为5 nm，揭示了多孔金属局域应变软化和孔洞粗化诱发整体脆断的变形机理（Acta Mater. 2019, 165, 99）。（2）发现了金单晶纳米线/韧带的室温超塑性和变形过程的尺寸效应，其均匀延伸率高达~150%，总应变为~260%，揭示了超塑性主要是由表面源产生的层错带或扩展全位错运动所贡献的变形机制（Nanoscale. 2019, 11, 8727）。（3）纳米多孔金属的脱合金动力学。阐明了脱合金形成双连续纳米多孔结构金属材料的动力学机理，建立了定量化的脱合金几何模型（Nano lett. 2020, 20, 1944）。（4）纳米多孔金属复合二维材料的界面重构。在纳米多孔金/二维过渡金属硫化物异质结构中发现了Au4S4界面亚稳原子相，阐明了异质结界面P型肖特基接触势垒的形成机理（Nat Commun. 2020, 11, 1011）。（5）低剂量球差透射电镜揭示纳米多孔金属有机框架(MOF)晶体亚层表面的结构及其演化。阐明了通过构建Q5和Q6型铬三聚体逐步形成完整的超四面体，从而向高饱和稳态{111}表面转变的分子组装机制（Angew Chem Int Ed. 2020, 59, 21419）。以上系列工作为设计和构建新型多功能纳米多孔金属材料提供了坚实的理论基础和重要的实验证据。通过该周期的研究，项目承担人以第一/通讯作者发表标注项目资助号的论文9篇，含2篇Nat Commun、1篇Acta Mater、1篇Nano Lett、1篇Angew Chem Int Ed、1篇Nano Energy、2篇Nanoscale等；以合作者身份发表标注项目资助号的论文7篇。