经典的McLean偏聚理论认为溶质/杂质在界面上一般以单层或亚单层无序方式形成偏聚，忽略了界面原子之间的相互作用，也没有界面结构转变。最近，金属所杨院生团队与东北大学秦高梧团队合作，利用球差校正的HAADF-STEM技术在Mg-Nd-Mn三元体系中发现Nd/Mn溶质原子在线性倾转晶界上发生周期性的非对称有序偏聚，形成了如图1所示的4种新的偏聚模式。结合分子动力学模拟及Voronoi分析，发现这些线性非对称/对称倾转晶界上存在周期性交替分布的张应变区与压应变区，溶质原子在弹性应变最小化的驱动下偏聚到晶界上的特定张/压位点，形成由特定准结构单元组成的二维界面超结构。与完全对称的人造双晶界面或无位错的孪晶界面偏聚模式不同，这些周期性非对称偏聚的发生主要是由线性倾转晶界两侧局部应变不对称造成的。研究进一步表明，原子尺寸失配效应以及原子之间的化学键合作用是形成多原子层厚度界面超结构的主导因素；此外，原子之间的相互作用还诱发了界面相变。该研究结果以“Nonsymmetrical Segregation of Solutes in Periodic Misfit Dislocations Separated Tilt Grain Boundaries” 为题发表在《Nano Letters》。

这一发现丰富了人们对于应变驱动溶质/杂质原子在界面偏聚行为的理解。溶质偏聚形成的周期性界面结构可能广泛存在于多晶材料的线性晶界中，由于线性晶界是块体材料中最为常见的面缺陷，尤其是金属材料热变形过程中经常出现高密度的线性晶界，调控这些晶界的溶质原子偏聚行为将为提高金属材料的力学性能开辟新的方向。基于该研究基础，杨院生团队已开发出了低成本、低合金含量的超高强Mg-Nd系耐热镁合金，并已申请国家发明专利。

该研究工作主要由金属研究所高温结构材料研究部特别研究助理黄秋燕博士（通讯作者）、东北大学谢红波博士（第一作者）、潘虎成副教授（通讯作者）等青年研究人员完成。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省“兴辽英才计划”创新团队基金和中国博士后科学基金等项目的支持。
 

图1 Mg-Nd-Mn合金中溶质原子在4种线性倾转晶界上的非对称有序偏聚
 来源：盖德化工网  原文：中国科学院金属研究所