蓋世汽車訊 青銅和鐵器時代的最早期鐵匠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過彎曲或錘擊使金屬變形后，金屬會變得更堅固。這一過程名為加工硬化或應(yīng)變硬化，現(xiàn)在仍在冶金制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，以提高汽車車架到架空電線等設(shè)施的強度。但目前為止，材料科學(xué)家還無法對這一重要過程實時進(jìn)行展開式觀察。

（圖片來源：nature.com）

據(jù)外媒報道，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員首次觀察到驅(qū)動加工硬化基本過程的具體機(jī)制。這項研究在哈佛大學(xué)材料研究科學(xué)與工程中心（MRSEC）進(jìn)行，通過更深入地了解材料強度，有望對材料設(shè)計和制造產(chǎn)生廣泛的影響。相關(guān)論文發(fā)表在期刊《自然（Nature）》上。

研究人員Frans Spaepen表示：“很多工業(yè)變形過程中都用到加工硬化。目前，人們通過大型計算機(jī)程序來為加工硬化建模，但為了使這些模型更加有效，我們需要進(jìn)一步了解控制這一過程的潛在機(jī)制。這項工作為我們提供了一個實時窗口，以了解加工硬化的普遍過程?！?/p>

人們無法實時觀察到金屬中的加工硬化，因為只有通過電子顯微鏡才能觀察到原子結(jié)構(gòu)。研究人員可以比較變形前后的結(jié)構(gòu)，但也僅能有限了解這一過程中發(fā)生的情況。先前的研究表明，結(jié)構(gòu)中的缺陷（稱為錯位）形成了缺陷網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致加工硬化。研究人員Ilya Svetlizky表示：“目前尚不清楚的是，這些原子晶體中導(dǎo)致硬化的缺陷之間相互作用的整體復(fù)雜性?！?/p>

為了解該過程中的關(guān)鍵部分，該團(tuán)隊轉(zhuǎn)向膠態(tài)晶體，這些粒子大約比原子大1萬倍，可在高濃度下自發(fā)形成晶體結(jié)構(gòu)。這些晶體可用于模擬原子系統(tǒng)，因為它們具有相同的結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷相同的相變過程，并擁有同類缺陷。然而，膠態(tài)晶體非常柔軟，比美國的透明甜點吉露果子凍（Jell-O）還要軟10萬倍。

研究人員培育出由數(shù)百萬個粒子組成的膠態(tài)晶體，并利用共聚焦光學(xué)顯微鏡來觀察每一個粒子。當(dāng)向這些晶體施加應(yīng)變時，他們可以測量每個粒子的運動狀況。令人驚訝的是，這些膠態(tài)晶體經(jīng)歷了明顯的加工硬化，甚至比其他任何材料都更加強勁。事實上，將粒子尺寸差異考慮在內(nèi)，這些超柔軟材料變得比其他金屬更加堅固。研究人員Seongsoo Kim表示：“我們沒想到這些硬球狀膠態(tài)晶體會發(fā)生加工硬化。比起普通金屬，這些粒子之間的相互作用非常簡單。事實上，我們發(fā)現(xiàn)，這些軟材料表現(xiàn)出異常明顯的加工硬化，甚至超過大多數(shù)銅和鋁金屬?！?/p>

這是首次在膠態(tài)晶體中觀察到加工硬化。結(jié)果表明，該過程主要由粒子的幾何形狀和缺陷控制。由于錯位缺陷，以及它們相互作用和相互糾纏的方式，這些晶體變得更加堅固。這些觀察結(jié)果揭示了加工硬化的普通機(jī)制，而這也將更普遍地適用于所有材料，甚至是那些無法用光學(xué)顯微鏡研究的材料。這些軟膠態(tài)晶體表現(xiàn)出如此卓越的加工硬化，因為它們可以容納非常高密度的缺陷。

研究人員David A. Weitz表示：“這項研究表明一些導(dǎo)致材料變得更堅固的基本和普遍機(jī)制。這些材料富有吸引力，雖然非常柔軟，但加工硬化使它們成為已知最堅固的材料?！?/p>

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