原子扩散是自然界的一种常见现象，也是材料制备加工过程中调控材料结构性能的一个基本过程。金属材料中原子扩散速率显著高于具有共价键或离子键的陶瓷和化合物，利用金属的高扩散速率可以在较低温度下大幅度调控金属材料的结构和性能，获得良好的综合性能。但另一方面，高扩散速率会使金属材料在高温下结构失稳，导致许多优异性能丧失。如何有效降低金属和合金中的原子扩散，提高材料结构和性能在高温下的稳定性，一直是材料科技领域的一个重大科学难题，也是发展高性能金属材料的重要技术瓶颈之一。
我们利用自主研发的低温塑性变形技术，将过饱和Al-15%Mg合金薄片的晶粒尺寸细化至10 nm以下并成功获得受限晶体结构。利用这种受限晶体结构系统研究了该合金在升温过程中的三种原子扩散控制的结构演化过程：金属间化合物的析出过程、晶粒长大过程和熔化过程。结果表明在接近合金熔点的高温下，受限晶体结构可以有效抑制这三种结构演化过程，甚至使合金的熔化温度比平衡熔点提升了69 K，表现出超低的原子扩散速率。此现象源于平均曲率为零的极小界面结构不但具有极高的高温结构稳定性，而且改变了界面原子的振动模式，从而抑制了原子的扩散。
此发现不但揭示了受限晶体结构的一种全新原子扩散行为，而且表明金属材料的高温原子扩散速率可以利用这种新型亚稳结构得到大幅度降低，为发展高性能高热稳定性金属材料开辟了一条全新的途径。相关论文发表于Science, 373 (2021) 683。
图1. (A-C) 受限晶体Al-Mg合金的结构；(D-E) 受限晶体的晶格常数、晶格中镁含量晶粒尺寸随退火温度图。
