操纵原子运动可以使金属更坚固、更弯曲

地壳分裂成七大板块，不断滑动和相互磨擦。虽然肉眼看不到这个过程，但你能看到其结果：例如，板块碰撞时会形成山脉和火山，板块分裂后会留下山谷和海洋。

但地壳并不是唯一具有这种行为的物质。许多金属（包括钢、铜和铝，它们对现代世界的运转至关重要）都是由小晶体组成的。如果你拿一片金属，拉扯或挤压它，这些小晶体就会相互移动，就像板块一样。它们的边界可能会移动。

经过多年的尝试，材料科学家终于能够亲眼见证这些不断变化的边界，现在他们已经证明，他们可以放大到原子尺度来观察这种变化。在发表于《科学》杂志上的一项研究中 3 月 17 日，他们解释了这将如何帮助其他研究人员修改晶粒并将金属塑造成更好的制造构件。

将金属描述为晶体似乎有些奇怪，但很多金属都是晶体，就像宝石和冰一样。晶体的定义是原子排列成规则的几何图案——例如六边形，或在空间中重复的立方体。另一方面，固体玻璃不是晶体，因为它的原子没有明确的结构，而是随意排列。

您可能会认为这些图案是城市中的街道网格。但如果城市中心足够大，则很可能不会共享单个网格。纽约、东京或雅加达等特大城市可能由许多较小的城市、郊区或街区组成，每个城市、郊区或街区都以自己的角度布置网格。

金属中的图案被称为“多晶体”，其微晶体成分被称为“晶粒”。晶粒可能具有相同的图案，但与相邻晶粒的连接并不紧密。有时，一个晶粒的原子与另一个晶粒的原子不对齐，或排列成不同的角度。

此外，晶粒并不是静止或固定的；它们会相互滑动，或扭曲和舞动。用材料科学家的话来说，这一切都称为晶界运动。它可以改变整个材料在压力下的行为。根据晶粒的排列方式，材料也可能变得更硬或更脆。

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几十年来，研究人员一直在尝试研究晶界运动。问题是，为了做到这一点，他们必须将图像放大到足以检查材料中的单个原子。

近年来，得益于透射电子显微镜的发展，它们比以往任何时候都更接近彗星。透射电子显微镜通过用电子轰击材料切片来扫描材料，并观察穿过远端的形状。

当晶粒边界很简单时，这种方法是可行的，比如两个平面立方体相互扭转。​​但大多数边界要复杂得多：它们可能是锯齿状的，也可能以奇怪的角度切穿一块金属。佐治亚理工学院的材料工程师、 《科学》杂志的作者之一 Ting Zhu 表示：“观察、追踪和理解这些边界上的原子运动非常具有挑战性。”

朱和他的同事研究了铂，尽管铂很稀有，但却经常用于风力涡轮机叶片、计算机硬盘和汽车催化转换器。他们取下厚度仅为几十亿分之一米的铂的横截面，并将其放入电子显微镜中。他们还使用自动原子追踪器（一种软件）检查显微镜拍摄的图像并标记原子。这样，研究人员就可以追踪单个原子随时间的运动情况。

当他们分析铂金时，发现了意想不到的事情。有时，随着晶粒移动，晶界发生偏移，边缘的原子会从一个晶粒跳到另一个晶粒。晶界会弯曲和变化，以容纳更多原子。

朱将原子的运动比作游行乐队成员的运动。“当一队乐队成员移动到与相邻的平行队列时，两队乐队成员会合并为一队，”他解释道。

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铂金在这个领域似乎是一个耀眼的异类，但朱表示，他们的研究成果也可以应用到其他金属上。调整钢、铜和铝的晶粒可以使这些金属更耐用，同时更柔韧。

这是材料科学家未来可以考虑的事情。“设计这种细粒多晶体是制造更坚固工程材料的重要策略，”朱说。

朱表示，他预计在大多数金属中都会发现类似的晶界运动，包括含有多种元素原子的合金。为了证实这一点，材料科学家必须放大每个原子，研究铝的杂技与铜内部的舞蹈有何不同。