金属晶界（grain boundary, the interface between crystallites, GB）理论的发展有比较久的历史，人们在50年之前发现晶界和相变有关。一般认为晶界上存在着多种稳定和亚稳态，人们使用complexion描述晶界上的状态，因为晶界上的原子排列状态和各种热力学稳定晶相都有所不同。晶相的转变影响了材料的多种性质，对晶界上的转变过程还不是特别明确。目前关于双组分和多组分材料中各种complexion晶界状态和其相互转化关系被广泛研究。但是相关研究并未在实验中直接观测，此外晶界上的动力学转变过程还没有研究清楚。

       美国劳伦兹国家实验室Frolov Timofey和德国马普所的Liebscher H. Christian、Dehm Gerhard等研究者合作通过原子级别上的测试方法对Cu金属的对称和非对称的[11-1]晶面处的晶体转变过程进行研究。原子分辨图显示在Cu的Σ19b（Σ19是指界面位点的密度，b是指晶界变化情况）体系中存在多米诺相（domino phase）和珍珠相（pearl phase）两种晶界结构。作者通过分子动力学模拟方法对晶界上不稳定相变化情况进行研究。结果显示，不稳定晶界能够被固定，从而在室温中实现原子级的观测。

本文要点

（1）在(0001)方向的蓝宝石基底上沉积薄层Cu，发现了Cu的Σ19b晶界结构。实验中发现了两种不同结构，分别为多米诺相和珍珠相。在大多数情况中，多米诺相和珍珠相共同存在。接近对称的晶界中的取向差为48°，并且和完整晶相相比，晶体实现了1°的偏移。发现11 nm多米诺晶相分布于两个珍珠晶相之间。

（2）通过计算方法实现对晶相的搜索。使用USPEX软件进行搜索晶界结构（Nat. Commun. 2018, 9, 467）。发现 0 K温度中，在2 % 的侧面压力作用，5 GPa的张力压力或者440 MPa剪切应力能够稳定这个体系的多米诺晶相，并获得了稳定性最高的结构。

（3）通过finite-temperature分子动力学（MD）对高温条件中的晶界行为和相转变过程进行模拟。分别在300 K和900 K条件下对周期性晶界进行模拟。计算结果显示，珍珠晶相的稳定性较高，但是两种晶相都能在基态稳定存在。多米诺晶相的稳定性要弱一些，通过生长过程，多米诺晶相会转变为珍珠晶相。此外，作者发现了晶界交界处生长速度和温度、缺陷位点有关。比如在650 K温度下，晶界在几十纳秒内能够实现转变。通过对自由能大小计算实现了对多米诺晶相、珍珠晶相随温度变化的稳定性进行讨论。

参考文献

Thorsten Meiners; Timofey Frolov*; Robert E. Rudd; Gerhard Dehm*; Christian H. Liebscher*

Observations of grain-boundary phase transformations in an elemental metal

Nature 2020, 579, 375–378. DOI: 10.1038/s41586-020-2082-6

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2082-6