现在，麻省理工学院的研究人员已经能够精确地研究这些晶体颗粒在极端变形过程中形成的过程，在最小的尺度上，小到几纳米。新的发现可能会导致改进的加工方式，以产生更好的，更一致的性能，如硬度和韧性。

这项新发现是通过对一套功能强大的成像系统的图像进行详细分析而得以实现的，今天发表在《科学》杂志上自然材料前麻省理工学院博士后Ahmed Tiamiyu(现为卡尔加里大学助理教授)在一篇论文中写道;麻省理工学院教授克里斯托弗·舒赫、基思·尼尔森和詹姆斯·勒博;以前的学生彭德华;以及现在的学生陈曦。

“在制造金属的过程中，你赋予它某种结构，这种结构将决定它在使用中的性能，”Schuh说。一般来说，晶粒尺寸越小，得到的金属就越坚固。他说:“在过去的80年里，通过减小晶粒尺寸来提高强度和韧性一直是所有冶金、所有金属领域的首要主题。”

长期以来，冶金学家一直应用各种经验开发的方法来减小固体金属中晶粒的尺寸，通常是通过以这样或那样的方式使其变形而施加各种应变。但要让这些颗粒变小并不容易。

最主要的方法是再结晶，即对金属进行变形和加热。这在整个作品中产生了许多小缺陷，这些缺陷“非常混乱，到处都是，”Schuh说，他是Danae和Vasilis Salapatas冶金学教授。

当金属变形和加热时，所有这些缺陷都能自发地形成新晶体的核。“你从这一团混乱的缺陷变成了新的有核晶体。而且因为它们是刚成核的，所以它们开始的时候非常小，”导致了一个颗粒小得多的结构，Schuh解释说。

他说，这项新研究的独特之处在于确定了这个过程是如何在非常快的速度和最小的尺度下发生的。虽然典型的金属成形过程，如锻造或板材轧制，可能相当快，但这项新的分析着眼于“快几个数量级”的过程，Schuh说。

“我们使用激光以超音速发射金属粒子。说它发生在眨眼之间是一种难以置信的轻描淡写，因为你可以在一眨眼的时间里做成千上万个这样的事情，”Schuh说。

他说，如此高速的过程不仅仅是实验室的好奇心。“在某些工业过程中，事情确实是以这种速度发生的。”这些包括高速加工;金属粉末高能铣削;还有一种叫做冷喷涂的方法，用来形成涂层。在他们的实验中，“我们试图理解在极端速率下的再结晶过程，因为速率如此之高，以前没有人真正能够深入研究并系统地观察这个过程，”他说。

Schuh说，使用基于激光的系统在表面上发射10微米的粒子，进行实验的Tiamiyu“可以一次一个地发射这些粒子，并真正测量它们的运动速度和撞击的强度。”以更快的速度发射这些粒子，然后他将它们切开，观察颗粒结构是如何演变的，直到纳米尺度，使用麻省理工学院各种复杂的显微镜技术。纳米设备，与显微镜专家合作。

结果是发现了Schuh所说的“新途径”，通过该途径颗粒形成到纳米尺度。他们称之为纳米孪晶辅助再结晶的新途径，是一种已知的金属孪晶现象的变体，这是一种特殊的缺陷，在这种缺陷中，部分晶体结构会翻转其方向。他说，这是一个“镜面对称翻转，你最终会得到这些条纹图案，金属翻转它的方向，然后再翻转回来，就像一个人字图案。”研究小组发现，这些撞击的频率越高，这个过程就发生得越多，当这些纳米级的“双胞胎”分解成新的晶体颗粒时，就会导致更小的颗粒。

在他们用铜做的实验中，用这些微小颗粒高速轰击表面的过程可以将金属的强度提高十倍左右。Schuh说:“这在性能上不是一个小的变化”，而且这个结果并不令人惊讶，因为它是普通锻造锤击所产生的已知硬化效应的延伸。“这是我们正在谈论的一种超锻造现象。”

在实验中，他们能够对完全相同的粒子和撞击地点应用广泛的成像和测量，Schuh说:“所以，我们最终得到了一个多模态视图。我们在相同的区域和材料上获得不同的镜头，当你把所有这些放在一起时，你就会得到关于正在发生的事情的丰富的定量细节，这是单一技术无法提供的。”

Tiamiyu说，因为新的发现为所需的变形程度、变形发生的速度以及对任何给定的特定金属或加工方法产生最大效果的温度提供了指导，所以它们可以直接应用于现实世界的金属生产。他们从实验工作中得出的图表应该是普遍适用的。“它们不只是假想的台词，”Tiamiyu说。对于任何给定的金属或合金，“如果你想确定纳米颗粒是否会形成，如果你有参数，只要把它代入”他们开发的公式中，结果应该会显示出在给定的冲击速率和给定的温度下可以预期什么样的颗粒结构。

这项研究得到了美国能源部、海军研究办公室和加拿大自然科学与工程研究委员会的支持。