在人们的固有认知中，孔洞通常会降低材料的机械性能。
因为应力总是集中在孔洞和缺陷周围，导致金属材料易于断裂，在机械、航空航天等领域甚至会引发灾难性的后果。
中国科学院金属研究所的金海军研究员团队最近发现，孔洞让金属变“脆”的原因在于，它们的尺寸过大且形状不规则。只要添加的孔洞足够小，不仅不会削弱材料的机械性能，反而能够提高金属的强度甚至塑性。
近日，相关论文以《分散的纳米孔，提高金的强度》（Strengthening gold with dispersed nanovoids）为题，发表在 Science 上[1]。
中国科学院金属研究所博士研究生陈家骥是第一作者，金海军研究员担任通讯作者。
图丨相关论文（来源：Science）
“孔洞，可能是做结构材料的研究者最不喜欢的材料缺陷。少量的孔洞就会让材料性能急剧退化，承受不了太大的力，变得更容易断裂。”金海军说。
他继续表示：“然而，孔洞的表面，我们做结构材料的人称之为面缺陷，如果能够将其利用起来，或许可以‘变废为宝’。这些面缺陷实际上可以与材料中另一种缺陷——位错相互作用，从而提高金属的强度。简单地说，我们的研究证明，把同样体积的大孔变成很多个小孔分散到材料里，可以增大表面积，进而放大其强化作用，最终克服孔洞的负面效应。”
图丨金海军（来源：资料图）
该课题组以金（Au）作为研究对象。众所周知，金具有良好的化学稳定性，便于实现化学制备，也避免氧化物杂质的干扰。
通过电化学腐蚀法将金-银合金中的银元素选择性腐蚀掉，可以制造出具有开放纳米孔结构的金。
随后，再经历压缩和热退火等处理后，开放的纳米孔转变为闭合的纳米孔，平均孔径可以控制在 18~180nm 之间。
这种带有闭合纳米孔的金属金，机械强度比完全致密没有孔的金提高了一倍以上，延展性甚至可以超过完全致密的金。
图丨纳米孔金材料的合成和微观结构（来源：Science）
这些闭孔的尺寸只要小于某个临界值（介于数百纳米到几微米之间），不仅不会削弱金属的机械性能，反而可能提高其强度。这一发现挑战了人们的传统认知。
“以前，人们总是认为所有孔都是有害的、破坏性的，大家采取各种手段来消除孔。
以后可以转变思路，不是消除孔，而是将孔变小，合理分布到材料中。改变思维，是至关重要的。”金海军说。
事实上，早在此前就有学者提出过类似观点，但由于分散、闭合的纳米孔的引入极为困难，这一理论从未被实验证实，更没有引起结构材料领域的足够重视。
“我们的研究成果或许可以改变人们对金属材料的传统认知。确实，这项工作非常困难，学生和合作者们付出了大量的努力才最终完成。”他感慨道。
（来源：资料图）
引入纳米孔后，不仅不会降低金属的机械性能，反而能够使材料更加轻质，满足现代工业对轻量化材料的需求。
金海军解释说道：“纳米孔的引入，可以使我们身边许多正在使用的材料变得更轻。”
目前，工业界通常加入更轻的合金元素，或者与更轻的材料复合，来提高材料的强度，同时实现轻质化的目的。
加入轻质元素或者第二相，需要考虑的因素很多。
他举例说道：“例如，元素之间能不能互溶、材料之间是否反应等等都可能带来问题。加入纳米孔避免了这些顾虑，有可能是让材料变轻最理想的方案。
毕竟，没有元素比孔更轻，另外孔洞也不和任何材料发生反应，回收处理中也不需要考虑。”
该团队从事纳米多孔金属材料的研究已有十几年，最初是通过腐蚀法在金属中引入开放的孔结构。
这类孔结构网络大大提高了材料的比表面积，在化学催化和金属电极等领域具有广泛的应用前景，但一般比较脆。
“实际上，闭合纳米孔的研究也是基于之前开放孔网络的工作，同时也受到面缺陷和位错相互作用的启发，这个创新性的成果，源自我们多年对微观结构的研究积累。”金海军表示。
图丨面缺陷和位错相互作用（来源：Science）
尽管研究者以金为模型，证明了纳米孔可以提高金属强度，但金海军认为，这项实验具有普适性。
接下来，他们将投入更多时间在实验制备上，解决在不同金属中引入纳米孔的问题。
如果能够开发出更好的加工工艺，不仅可以在保持金属强度的同时将孔洞从有害变为有益，还能实现材料轻量化并降低成本。
“此外，强化机制上面，特别是微观机理和结构控制方面，仍然有许多未解之谜，我们还有很多很多的工作要继续推进。”金海军补充道，“我们相信，未来这一领域会取得更大的突破。我们也希望有更多的研究团队加入这个领域。”
参考资料：
1. Jia-Ji Chen, Hui Xie, Ling-Zhi Liu, Huai Guan, Zesheng You, Lijie Zou, Hai-Jun Jin, Strengthening gold with dispersed nanovoids. Science 2024, 385, 629-633. DOI: 10.1126/science.abo7579
排版：刘雅坤
