城大研究人員重塑對晶體界面動力學的理解

香港城市大學（城大）的研究人員與本地及海外大學的專家合作，重新塑造了科學家對晶體材料中動力學過程的基本理解，為材料加工及微觀結構調節提供了新的思路。

晶體是原子在晶格結構中整齊排列形成的固體。晶界是不同取向晶體之間的界面缺陷。大多數晶體材料是多晶體，即由許多具有不同取向的多面體晶粒聚集而成。因此，晶界是材料中的常見缺陷，對材料的機械和物理性能有深遠影響。操控晶界的數量，是調整材料性質的一種有效策略。

傳統上，人們認為晶界的遷移速率與驅動力成正比，其比例系數稱為遷移率，並假定為常數。然而這項研究挑戰了這一觀點，揭示晶界遷移率實際上被遷移方向影響，而不是一個常數。

城大材料科學及工程學系韓健教授說：「這意味着晶界可以在沒有淨驅動力的情況下遷移。有趣的是，這種非驅動的晶界遷移可以類比於布朗棘輪的單向旋轉。」

這項研究發表在頂尖期刊《科學》上，標題為「晶界乃布朗棘輪」。

研究顯示，大多數晶界的遷移率取決於晶界遷移的方向。研究人員對在各種條件下的多種晶界進行了原子尺度模擬，確認了只要晶界相鄰的兩個晶粒不是對稱相關——這是通常情況——晶界遷移率就會顯示出方向性。

當晶界在一個方向上移動速度快於相反方向時，在零附近對稱振盪的驅動力能夠導致晶界向一個方向遷移。研究人員用布朗棘輪模型解釋了這種行為。

材料科學及工程學系博士生邱蔡豪說：「當布朗棘輪這裝置的槳輪因原子的隨機撞擊產生隨機方向旋轉時，棘輪機構只會產生單向旋轉。類似地，當晶界受到振盪驅動力或溫度變化的影響時，它會單向遷移。」他是論文的第一作者。

這項研究重塑了大多數研究者和教科書對晶界動力學的理解，並啟發了一種控制材料微觀結構演變的新方法。

本論文的通訊作者包括韓教授、香港大學的David Srolovitz教授、德累斯頓工業大學的Marco Salvalaglio教授，及加州大學爾灣分校的潘曉晴教授。