钛的强度和重量都很高，是所有结构性金属中强度和重量比最高的。但是，在加工钛的同时保持强度和延展性的良好平衡是具有挑战性和昂贵的。因此，钛一直被归入特定行业的利基用途。

现在，正如最近发表在《科学》杂志上的一项研究所报告的那样，能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员已经发现了一条新的、实用的前进道路。

该团队发现，他们可以使用一种称为低温锻造的技术，在超低温度下操纵十亿分之一米（一纳米）规模的纯钛，可以在不牺牲任何延展性的情况下生产出超强的 "纳米纹 "钛。

"这项研究是第一次有人在散装材料中生产出纯粹的纳米编织结构，有了纳米编织的钛，我们不再需要在强度和延展性之间做出选择，而是可以实现两者。"该研究的项目负责人、伯克利实验室的纳米科学用户设施--分子铸造厂的国家电子中心主任Andrew Minor说。

小规模的变化对性能有很大影响

金属的机械性能部分取决于它们的晶粒--由重复的原子图案组成的微小的独立结晶区域，形成材料的内部结构。晶粒之间的边界，即图案发生变化的地方，通过阻止被称为位错的缺陷移动并削弱材料的结构来加强金属。把晶粒想象成街道，把晶粒边界想象成阻止原子 "汽车 "通过的红绿灯。

加强金属的一种方法是简单地缩小其晶粒的大小，通过锻造创造更多的边界--在高温甚至室温下通过轧制或锤击压缩材料。然而，这种类型的加工往往是以牺牲延展性为代价的--内部结构被破坏，使其容易断裂。较小的晶粒 "街道 "和 "红绿灯 "的增加导致了原子交通堆积，使材料断裂。

材料的强度通常与内部晶粒的大小相关，越小越好，但高强度和延展性通常是相互排斥的特性。

纳米线是一种特殊类型的原子排列，晶体结构中的微小边界对称排列，就像彼此的镜像。回到原子道路上，谷物 "街道 "上的红绿灯在纳米线结构下变成了减速带，使原子更容易移动而不产生压力的积累，同时保持更高的强度。

伯克利实验室分子铸造厂的科学家们使用一种叫做电子反向散射衍射（EBSD）的电子显微镜技术，对具有纳米线状结构的纯钛的结构进行成像。每种颜色代表了晶粒的独特方向。这些薄条显示了通过一种叫做低温锻造的工艺产生的纳米线状结构。资料来源：Andy Minor/伯克利实验室

把双胞胎放在钛中

纳米线状材料并不新鲜。然而，制造它们通常需要专门的技术，可能会很昂贵。这些技术对铜等特定金属有效，通常只用于制造薄膜。此外，大多数时候，薄膜的特性并不能转化为大宗材料。

为了制造纳米钛，研究小组使用了一种简单的技术，即低温锻造--在超低温度下操纵金属的结构。该技术首先将非常纯净（超过99.95%）的钛立方体放入华氏零下321度的液氮中。当立方体被浸没时，对立方体的每个轴施加压力。在这些条件下，材料的结构开始形成纳米孪生边界。后来，该立方体被加热到750华氏度，以消除在双线边界之间形成的任何结构缺陷。

研究人员对新形成的材料进行了一系列的应力测试，并使用分子铸造厂的电子显微镜来揭示其独特性能的来源。在这些测试中，他们发现纳米孪生钛具有更好的成型性，因为它既能形成新的纳米孪生边界，又能撤消以前形成的边界，这两种能力都有助于变形。他们在高达1112华氏度的极端温度下测试了这种材料，就像流动的熔岩一样热，还保持了其结构和特性，证明了这种材料的多功能性。

在超低温下，纳米钛能够承受比普通钛更多的应变，这与大多数金属通常发生的情况相反--在低温下，大多数材料变得更脆。

显示低温锻造过程的示意图，以在高纯度钛中产生纳米纹路结构。资料来源：Andy Minor/伯克利实验室

这些纳米孪生结构的大小和数量可以改变金属的特性。

在钛的例子中，研究人员发现，在室温下，纳米绞线使金属的强度增加了一倍，延展性增加了30%。在超低温条件下，这种改进甚至更为显著--纳米编织的钛在断裂前能够增加一倍的长度。

纳米编织的钛在相对较高的温度下也能保持其优良的特性，这表明这些特性不仅能在旧金山湾区的温带气候中持续存在，而且能在外层空间的极度寒冷和喷气发动机的高热附近持续存在。

使用低温锻造技术制造纳米钛，具有潜在的成本效益，可扩展到商业生产，并能生产出易于回收的产品。此外，正如Minor所说："我们在钛中展示了纳米绞合机制，但它很有可能在延展性受到限制的其他材料中发挥作用。"

下一步，研究人员希望将他们为钛开发的工艺，确定它是否可以应用于其他金属。