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香港城市大學與海內外合作，提出一種新的抗輻照材料設計策略：增強合金中的局域晶格畸變，抑制輻照產生的間隙原子與空位遷移，從而有效「凍結」缺陷演化。團隊所製備的材料表現出極強抗輻照能力，有望為新一代核能與極端環境結構材料提供新思路。研究成果已刊於《自然－通訊》。

論文：

• https://www.nature.com/articles/s41467-026-73093-1

研究背景

輻照會在材料內部持續產生大量空位和間隙原子，逐步演化成位錯環、空洞等更大尺度缺陷，最終導致材料失效問題。傳統策略通常依賴大量晶界、界面或析出相等「缺陷匯」來吸收缺陷，但這些納米結構在高溫與長期輻照下，往往會逐漸失穩，難以持續維持其功能。近年已有研究指出，晶格畸變可抑制間隙原子擴散，但對空位遷移的影響一直缺乏統一解釋。

研究成果

香港城市大學機械工程學系趙仕俊博士與湖南大學、西安交通大學等合作，系統研究了不同晶格畸變程度對輻照缺陷行為的影響。團隊設計了四種具有不同局域晶格畸變程度的 FCC 合金：Ni、NiFe、NiCoV 及 Ni₈₀Mo₂₀，並在室溫下進行 3 MeV Ni 離子輻照測試。

結果顯示，隨着局域晶格畸變增加，輻照後形成的位錯環尺寸持續減小；其中 Ni₈₀Mo₂₀ 不僅缺陷尺寸最小，缺陷密度亦明顯降低，說明高晶格畸變可有效抑制缺陷增大。

團隊進一步發現，這種效應不只來自傳統意義上的缺陷復合，也源於缺陷本身的運動能力被大幅限制。模擬結果揭示，在純 Ni 中，輻照產生的點缺陷容易長距離遷移並聚集成大型缺陷團簇；在 NiCoV 中，間隙原子擴散雖然減慢，但空位遷移反而增強；而在 Ni₈₀Mo₂₀ 中，間隙原子與空位均呈現高度局域化的遷移模式。而且，空位在 Ni₈₀Mo₂₀ 中不再進行有效的長程擴散，而會在相鄰晶格位置之間反覆「跳躍」，形成近似凍結的狀態。

團隊分析了空位形成能與遷移能的統計分布。結果表明，隨着晶格畸變增強，局部能量分布顯著拓寬。雖然平均遷移勢壘可能下降，令空位更容易發生單次跳躍，但同時，更強的局域能量起伏又形成大量陷阱，使空位傾向在局部晶格位置之間往返移動，而難以形成有效的長距離擴散。

換言之，空位擴散受到兩種競爭機制控制：一方面是較低勢壘促進跳躍，另一方面是局域能量波動加強俘獲。計算得出，當晶格畸變超過約 4% 時，後者開始佔主導，最終使空位運動被顯著局域化。

團隊從而建立了一個「晶格畸變調控缺陷演化」的統一框架，並解釋了以往文獻中關於空位團簇演化結果不一致的現象。

研究團隊

論文第一作者為城大黃莎莎博士。共同通訊作者為趙仕俊博士、西安交通大學盧晨陽教授、湖南大學吳正剛教授。

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