PNAS：晶界上原来也有拓扑相变

引言

2016年的诺贝尔物理学奖授予了Thouless, Haldane和Kosterlitz，来表彰他们在拓扑相变上的贡献。拓扑的概念，也在物理学中越来越重要。

大多数金属是晶体，这意味着它们的原子周期性地排列在晶格中。完美的晶体具有相同的周期性结构。但大多数晶体由不同的晶粒组成，这些晶粒均具有相同的原子结构，但彼此的取向不同。材料学家特别关心这些晶粒之间边界（晶界），因为晶界本质上是缺陷，在晶界中更可能发生腐蚀或其他形式的损坏。了解材料在受到外力作用时晶界如何移动，是材料微结构工程的基础。

成果简介

美国宾夕法尼亚大学陈孔韬博士及其合作者，通过统计物理模型和动力学蒙特卡洛模拟，发现了晶界上也存在拓扑相变，并说明了拓扑相变对晶界动力学、形态和超塑性的影响。

晶界上的位错影响着晶界和多晶材料的许多动力学特性。陈孔韬等证明，晶界上发生了有限温度拓扑相变。在相变温度以上，位错之间的长程相互作用被屏蔽。这个相变导致晶界迁移速度、 滑动速度和roughness的突然变化。陈孔韬等通过平均场理论、重正化群理论和动力学蒙特卡罗模拟来分析这种拓扑相变，并研究这种相变如何影响介观尺度现象，如晶粒生长停滞、异常晶粒生长和超塑性。

图文导读

图1动力学蒙特卡洛模拟中的晶界拓扑相变。来源：PNAS

图2晶粒生长停滞尺寸的温度依赖性。来源：PNAS

第一作者介绍

陈孔韬，宾夕法尼亚大学博士，师从美国工程院院士David Srolovitz，用统计物理、分子动力学、蒙特卡洛模拟等方法研究晶界动力学。曾获Acta Student Award (结构材料学顶级刊物Acta Materialia的年度最佳学生论文奖)，President Gutmann Leadership Award (宾夕法尼亚大学授予顶尖研究生的奖项)，担任Materials & Design等期刊审稿人，并受邀在美国麻省理工学院、法国里尔大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室等进行学术报告。以第一作者在PNAS、Acta Materialia等发表多篇论文，并被Justdial.com, Phys.org等国际媒体报道。

参考文献

https://doi.org/10.1073/pnas.2017390117

本文由记者林旻投稿。