摘要：大家好，今天给大家带来的是来自南京理工大学的王露凌同学的文献复现，他复现的文献是卢柯院士于2020年发表的一篇Science——《Constrained minimal-interface structures in polyCrystalline coppe
大家好，今天给大家带来的是来自南京理工大学的王露凌同学的文献复现，他复现的文献是卢柯院士于2020年发表的一篇Science——《Constrained minimal-interface structures in polyCrystalline copper with extremely fine grains》，文章DOI为10.1126/science.abe1267。
这篇Science简单的来说，就是发现了一种亚稳态的纳米Cu晶粒，这种晶粒会与相邻晶粒形成一种三维的孪晶网络结构:
这种结构可以极大的增强纳米孪晶Cu的热稳定性，使其即使在熔点之下的温度也难以发生晶粒粗化。
而王同学为我们带来了这篇文献的解读，以及对应的atomsk建模代码，以及测量其热稳定性的in文件，让我们再次感谢王同学开源这么好的资料！那么接下来的内容就是王同学提供给我的文稿了：
这里介绍一个两年前复现的正刊的MD模拟
是卢柯院士组在2020年发表的一篇science上关于Schwarz Crystal (SC)的首次发现。该结构是通过表面机械研磨和液氮下高压扭转获得的，如下图1
图1
具体的晶体结构解析可以去看正文DOI：10.1126/science.abe1267
这种新型纳米晶结构可以在平均晶粒尺寸只有10 nm时候保持超高的热稳定性，如这里的纯Cu可以达到几乎熔点的高热稳定性（图2）。
图2
由于实验上观察到这些纳米晶大多数都是类似截角八面体的形态（图3），但是进一步还是无法很好地还原这种新型晶体结构的三位构型。
图3
因此研究者通过MD模拟构建Kelvin晶胞来证实实验中的猜想（图4）。
图4
接下来我们进入正题，出于当时对MD的喜爱，笔者花费了几天尝试复现了该模拟。
通过阅读该文献的补充材料，以及后续金朝晖教授在PRL上发表的一篇关于Schwarz晶体的纯MD研究的补充材料DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.136101）进行了尝试。
其实一开始并没有想明白金朝晖老师是如何想到这么来构建基本模型的，也因此感叹这些工作的鬼斧神工。在我充分阅读文献后，在参考文献中读到了这样一篇论文：
简单来说，该论文就是从拓扑学的角度出发，推导出了FCC纳米晶如何实现极限密度的纳米孪晶界(CTB)。注意：这里的CTB并不是指晶内CTB，而是CTB充当普通晶界。因此，笔者猜测，金朝晖老师的灵感大概就是来自这篇论文。而当我们检索该文献的时候，甚至发现，截止到2025年为止，才被引用了8次。
在这说一些自己的感悟：现在国内很多声音大致是这样的：“你们这些做基础研究的一点应用转化都没有，搞这么多的论文又有啥用？”
确实，现在国内短平快的成果太多太多。但是往往都是高校对教职工评估体系的畸形造成的，如果高校环境能够容纳一个学者潜心下来几年甚至十几年苦心钻研一个东西，能够容忍一个学者好几年不出成果那会不会是另一番光景呢？但是现实往往不能容许这样。
即便是这篇只有被引8次的论文，又怎么能知道在十几年后的今天能够作为一项伟大成果做出关键性的铺垫？如果2020年的关于SC的SCIENCE正刊没有被报道，那么这篇被引只有8次的论文是不是仍然被大家认为是毫无用处的论文呢？
建模信息
根据建模信息，我们可以通过Atomsk去构建原始的Kelvin晶胞：
#atomsk --create fcc 3.639 Cu orient [100] [010] [001] O1O2.xsfatomsk --create fcc 3.639 Cu orient [-122] [2-12] [22-1] A1A2.xsf atomsk --create fcc 3.639 Cu orient [-1-2-2] [-2-12] [-22-1]B1B2.xsf atomsk --create fcc 3.639 Cu orient [-1-22] [-2-1-2] [2-2-1]C1C2.xsf atomsk --create fcc 3.639 Cu orient [-12-2] [2-1-2] [-2-2-1]D1D2.xsf atomsk --create fcc 3.639 Cu orient [-184] [8-14] [44-7] E1E2.xsf atomsk --create fcc 3.639 Cu orient [-7-44] [-4-1-8] [4-8-1]F1F2.xsfatomsk --create fcc 3.639 Cu orient [184] [81-4] [-44-7] I1I2.xsf#atomsk --polycrystal A1A2.xsf poly-K.txt poly-A1A2.xsf -select prop grainID 3:16 -rmatom selectatomsk --polycrystal B1B2.xsf poly-K.txt poly-B1B2.xsf -select propgrainID 1:2 -rmatom select -select prop grainID 5:16 -rmatom selectatomsk --polycrystal C1C2.xsf poly-K.txt poly-C1C2.xsf -select propgrainID 1:4 -rmatom select -select prop grainID 7:16 -rmatom selectatomsk --polycrystal D1D2.xsf poly-K.txt poly-D1D2.xsf -select propgrainID 1:6 -rmatom select -select prop grainID 9:16 -rmatom selectatomsk --polycrystal E1E2.xsf poly-K.txt poly-E1E2.xsf -select propgrainID 1:8 -rmatom select -select prop grainID 11:16 -rmatom selectatomsk --polycrystal F1F2.xsf poly-K.txt poly-F1F2.xsf -select propgrainID 1:10 -rmatom select -select prop grainID 13:16 -rmatom selectatomsk --polycrystal I1I2.xsf poly-K.txt poly-I1I2.xsf -select propgrainID 1:12 -rmatom select -select prop grainID 15:16 -rmatom selectatomsk --polycrystal O1O2.xsf poly-K.txt poly-O1O2.xsf -select propgrainID 1:14 -rmatom select #合并上述晶体atomsk --merge 8 poly-A1A2.xsf poly-B1B2.xsf poly-C1C2.xsfpoly-D1D2.xsf poly-E1E2.xsf poly-F1F2.xsf poly-I1I2.xsf poly-O1O2.xsf final.cfgatomsk -wrap final.cfg lmp其中多晶种子文件poly-K.txt的内容如下：
box 130.1 130.1 130.1node 0.5*box 0.5*box 0.5*box 0 0 0 #grain7-A1node 0*box 0*box 0*box 0 0 0 #grain10-A2node 0.5*box 0*box 0*box 0 0 0 #grain8-B1node 0*box 0.5*box 0.5*box 0 0 0 #grain4-B2node 0*box 0.5*box 0*box 0 0 0 #grain9-C1node 0.5*box 0*box 0.5*box 0 0 0 #grain6-C2node 0.5*box 0.5*box 0*box 0 0 0 #grain5-D1node 0*box 0*box 0.50*box 0 0 0 #grain3-D2node 0.25*box 0.75*box 0.25*box 0 0 0 #grain12-E1node 0.75*box 0.25*box 0.75*box 0 0 0 #grain11-E2node 0.25*box 0.75*box 0.75*box 0 0 0 #grain14-F1node 0.75*box 0.25*box 0.25*box 0 0 0 #grain16-F2node 0.25*box 0.25*box 0.75*box 0 0 0 #grain15-I1node 0.75*box 0.75*box 0.25*box 0 0 0 #grain13-I2node 0.75*box 0.75*box 0.75*box 0 0 0 #grain1-O1node 0.25*box 0.25*box 0.25*box 0 0 0 #grain2-O2通过上述命令，我们可以获得最原始的Kelvin猜想下获得的晶胞(图5)，通过OVITO-CNA-删除FCC和Other原子可以展示出极限密度的CTB分布特征（图5）。
图5
units metaldimension 3boundary p p patom_style atomicvariable initial_temp equal 1variable final_temp equal 1401read_data final.lmppair_style eam/fspair_coeff * * MCu3.eam.fs Cu#voronoi-tempcompute 1 all voronoi/atomcompute 2 all reduce sum c_1[1]variable t equal tempvariable N equal count(all)variable atomvol equal c_2/${N}##########minimize 1.0e-8 1.0e-10 5000 5000 write_data initial.lammpstrj reset_timestep 0timestep 0.0025change_box all triclinic # 将盒子改为3斜thermo 1000thermo_style custom step lx ly lz press pxx pyy pzz pe ke temp spcpuvelocity all create ${initial_temp} 156 dist gaussian mom yes rotyesfix 1 all temp/rescale 1 ${initial_temp} ${final_temp} 0.05 1.0fix 01 all momentum 1 linear 1 1 1 angular #防止模型平移或旋转fix 02 all nph x 0 0 1 y 0 0 1 z 0 0 1 yz 0 0 1 xz 0 0 1 xy 0 0 1 nreset 1 #NPH系综，各个方向控压x,y,z,yz,xz,xydump 1 all custom/gz 10000 schwraz.*.gz id type x y z #每1ns输出一次fix 2 all print 10000 "${t} ${atomvol}" file vorinoi.txt screen norun 80000000 #加热速率为每ns升温7K，该加热速度遵循了PRL的模拟设置最后简单展示一下模拟复现的结果：
图6 不同温度下的晶体结构演变
图7 不同温度下的晶体结构演变
材料在0K下的弹性常数和各向异性参数=0.962（接近1.0，说明SC结构是一种各向同性材料，符合实验结果）(注：弹性常数使用lammps的example文件夹中的elastic文件夹中的输入脚本计算。)
温度-原子体积关系（图8）：到约1350K（熔点Tm=1353K）才出现显著的体积增加，说明在这之前的晶体结构都很稳定。
图8
以及文献(图9左边)和笔者复现结果(图9右)
图9
需要说明的是，上述模拟结果可能不会一次成功，因为在多次测试过程中我发现，Kelvin到SC结构的转变会不完全，如图10下方展示的那样。
图10
但是，当部分CTB未继续扩展至理想SC结构时，仍然可以使GB结构保持到接近熔点且未发生晶粒粗化（图10中右下角显示了到1329K才会发生熔化，熔点为1353K）。因此，笔者推测CTB才是利于热稳定性的主要因素，而并非一定需要晶界曲率为0。
本文中涉及的建模文件和输入文件：
通过网盘分享的文件：Schwarz Crystal提取码: nspi来源：科学聚焦
