現(xiàn)代工業(yè)的幾乎所有領(lǐng)域，對輕質(zhì)和堅(jiān)固材料的需求都在穩(wěn)步增長。即使只是將結(jié)構(gòu)材料的重量降低幾個百分點(diǎn)，例如，在鋼中加入鋁或在鋁合金中加入鋰等輕質(zhì)元素，都可以顯著提高能源效率，減少運(yùn)輸應(yīng)用中的排放。引入孔隙可能是實(shí)現(xiàn)輕量化最有效和最廣泛適用的方法。然而，孔隙通常被認(rèn)為制造過程中需要消除的缺陷，其存在會使材料的強(qiáng)度和延展性嚴(yán)重惡化。值得注意的是，與晶界等其他界面類似，孔隙表面也可以與位錯發(fā)生彈性相互作用，足夠小的孔隙能夠引起額外強(qiáng)化。因此，長期以來人們一直設(shè)想可以通過引入納米級孔隙來增強(qiáng)材料，類似于沉淀硬化或納米顆粒硬化。然而，合成具有均勻分散納米孔隙的材料面臨很大挑戰(zhàn)。例如輻射可以產(chǎn)生誘發(fā)大量缺陷，包括納米空洞或納米氣泡，使材料硬化但同時(shí)也會嚴(yán)重脆化材料，因此通常被認(rèn)為是有害的。

基于以上研究背景，中科院金屬所金海軍教授（通訊作者）等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬中的孔隙收縮到亞微米或納米尺度時(shí)，分散的納米孔可以在減輕重量的同時(shí)，增加材料的強(qiáng)度和延展性。他們通過一系列加工過程，包括腐蝕、壓縮和熱退火，將納米孔隙引入純金中，為開發(fā)新型輕質(zhì)、高性能材料提供了一種廉價(jià)、環(huán)保的方法。相關(guān)研究成果以“Strengthening gold with dispersed nanovoids”為題發(fā)表在最新Science期刊上。

圖1. 具有分散納米孔（NVD）金的合成與微觀結(jié)構(gòu)。© 2024 AAAS

圖2. NVD金的拉伸性能。© 2024 AAAS

圖3. 表面位錯相互作用。© 2024 AAAS

圖4. NVD金的應(yīng)變-硬化率。© 2024 AAAS

在本工作中，分散的納米孔隙使純金密度降低了10%以上，只要納米孔隙能夠有效地整合到材料中，這種強(qiáng)化策略也可以適用于其他金屬和工程合金。除了傳統(tǒng)的發(fā)泡技術(shù)外，在凝固、相互擴(kuò)散、塑性變形和增材制造過程中也會大量形成孔隙，但是這些孔隙通常較大，形狀不規(guī)則，分布不均勻，因此不利于材料的力學(xué)性能。與其消除這些孔隙，不如改進(jìn)它們的大小，調(diào)整它們的形狀和分布，在不改變材料成分或相的情況下實(shí)現(xiàn)了納米孔隙的分散強(qiáng)化。雖然納米孔隙的強(qiáng)化效果可能不如硬納米顆粒，但可以進(jìn)一步通過表面修飾，如表面偏析甚至沉淀來改善。另外，通過引入層次結(jié)構(gòu)或增加結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，具有分散納米孔金屬的機(jī)械性能還將進(jìn)一步改善。