一個晶體的某一部分相對于其余部分發生滑移，原子平面沿著一根軸線盤旋上升，每繞軸線一周，原子面上升一個晶面間距，在中央軸線處即為螺位錯。當晶體中存在螺型位錯時，原來的一族平行晶面就變成為以位錯線為軸的螺型面。如果繞螺型位錯環行，就會像走坡度很小無臺階的樓梯一樣，從一層晶面走到另一層晶面。螺型位錯的名稱就是由此而來的。位錯是晶體中最為常見的缺陷之一，它對晶體材料的各種性質都有程度不同的影響，很早就被人們關注和研究，有了比較成熟的理論和大量的實驗研究成果。
日前，中國科學院力學研究所、上海交通大學和浙江大學的團隊在晶體材料中的基本缺陷——螺位錯在變形過程中的超聲速現象研究方面獲得進展。研究發現面心立方晶體材料中的螺位錯不僅能超聲速，并能穩定地以聲速運動。相關結果1月29日發表在PRL上（Physical Review Letters，一區TOP期刊，IF=8.839）。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.045501
金屬晶體的強度跟韌性很大程度上取決于位錯的運動性質，特別是螺位錯在材料的強度和變形能力中扮演重要角色。然而位錯的速度極限和確切的速度–應力關系尚不明確。傳統理論認為位錯超聲速運動所需能量具有奇異性，盡管后續的理論和模擬研究都表明位錯可以超聲速運動，但這些研究集中于刃位錯。該團隊利用分子尺度計算和理論分析，發現銅晶體中的螺型全位錯和螺型孿晶界不全位錯都能穩定地以聲速滑移，并都能超聲速運動超過三個各向異性剪切波速。由于螺位錯運動過程存在結構不穩定性，超聲速螺位錯還是首次被模擬發現。
圖：各向異性晶體銅中超聲速螺位錯所產生的主要剪應力場（左側）以及其在超聲速運動時，突破三個剪切波過程
該研究還表明，位錯的運動與傳統施密特原理相悖，而是與非施密特應力有關。推翻了傳統連續介質力學中對超聲速位錯的認知，確認了超聲速螺位錯的存在，為晶體材料的動態力學行為，以及孿晶界面的位錯運動提供了更深入的理解。
螺位錯在剪切應變下的運動
位錯是材料科學中的核心概念之一。早前，中國科學院金屬研究所馬秀良等人（點此查看）利用高通量脈沖激光沉積技術，通過調控異質界面位錯的柏氏矢量，成功構筑出具有巨大線性應變梯度、超低彈性能以及特殊物理特性的功能氧化物納米結構。改變了人們對功能材料中有關位錯作用的傳統認識：位錯未必是一定導致某些物理特性降低的結構缺陷，而是能被用來有效調控甚至產生優異物理特性的新組元。提供了如何利用位錯的特性構筑具有連續帶隙變化的梯度功能材料的概念、原理及方法。（來源：材料科學與工程公眾號。轉載請聯系）
