在材料开发中，人们常在低于熔点的温度下进行烧结，使粉体加热固化，同时掺杂多种元素以促进反应调控微观结构。烧结后的陶瓷是由大量原子排列方向各异的“晶粒”聚集而成。已有研究表明，掺杂元素会伴随烧结的过程沿晶粒的边界（晶界）扩散。然而，这些元素具体以何种方式沿着怎样的原子路径在晶界中扩散，目前仍缺乏明确的认知。
东京大学研究生院工学系研究科的冯斌特任副教授、柴田直哉教授等人组成的研究团队，利用原子级分辨率电子显微镜技术，研究了钛（Ti）原子在陶瓷材料氧化铝晶界中的扩散路径，明确其在扩散过程中占据的原子位，并揭示了扩散前端附近晶界原子结构的演化与重构特征。结果发现：当Ti原子在非对称原子结构的氧化铝晶界扩散并富集到阈值浓度后，晶界的原子结构会从非对称转变为对称结构。进一步对比扩散速度后发现，对称结构中Ti原子的扩散速度可达非对称结构的10倍以上。也就是说，在晶界转变为对称结构的瞬间，Ti原子的晶界扩散会急剧加速，这种“两步扩散现象”尚属首次报告。
（a）陶瓷材料表面1微米（1微米=百万分之一米）范围内存在大量Ti原子，原子结构呈对称结构；（b）在深度约1微米的晶界处，红色虚线部分发生了非对称-对称的结构转变；（c）比该位置更深的部分则为非对称结构。
上述成果有望用于确定陶瓷的最佳烧结工艺并预测其微观结构演化，从而促进高性能多晶材料的高效开发。（TEXT：中条将典）
原文：JSTnews 2026 年 2 月号
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Two-step grain boundary diffusion mechanism of a dopant accompanied by structural transformation
DOI：10.1038/s41467-025-65745-5
