引言：
在未来裂变堆、聚变堆以及空间核动力等极端服役环境中，结构材料需要长期承受高剂量辐照带来的损伤。然而，辐照过程中产生的大量空位与间隙原子会不断迁移、聚集，并最终形成位错环、空洞等缺陷结构，导致材料出现肿胀、硬化和脆化等失效问题。因此，如何有效抑制辐照缺陷演化，是发展新一代抗辐照材料的核心挑战之一。
传统抗辐照策略通常依赖于引入大量晶界、析出相等“缺陷汇（defect sinks）”来吸收辐照缺陷。然而，这些纳米结构在高温和长期辐照条件下往往会逐渐失稳，难以长期维持其缺陷吸收能力。
近年来，多主元合金（MPEAs/HEAs）由于其复杂化学环境和显著晶格畸变，被认为具有优异的抗辐照潜力。已有研究发现，晶格畸变能够抑制间隙原子的扩散，但对于空位扩散的影响却长期存在争议：部分实验发现空位团簇会变小，而另一些研究却观察到更大的空位团簇形成，其机制一直缺乏统一解释。
近日，来自 City University of Hong Kong、Hunan University、Xi’an Jiaotong University 以及 UK Atomic Energy Authority 的研究团队，通过实验、分子动力学模拟以及理论扩散模型相结合，提出了一种全新的抗辐照材料设计策略：通过增强局域晶格畸变来同时“冻结”间隙原子与空位的迁移。
研究发现，当晶格畸变超过临界程度后，空位不再表现出增强扩散，而是由于强关联跳跃（correlation effect）被局域困住，从而显著抑制缺陷聚集。其中，单相 FCC 合金 Ni80Mo20 展现出目前已报道 FCC 浓缩固溶体中最高的局域晶格畸变，并表现出极强的抗辐照能力。
相关成果以“Realizing irradiation-resistant metallic alloys by immobilizing induced defects”为题发表在 Nature Communications 上。
文献信息：
第一作者：黄莎莎（香港城市大学）
通讯作者：卢晨阳（西安交通大学），吴正刚（湖南大学），赵仕俊（香港城市大学）
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-73093-1
图文导读：
图1：不同晶格畸变合金辐照后的缺陷演化行为
研究设计了四种具有不同晶格畸变程度的FCC合金：Ni、NiFe、NiCoV以及Ni80Mo20，并在室温下进行3 MeV Ni离子辐照实验。
实验结果表明：
- 随着晶格畸变增强，位错环尺寸持续减小；
- 在Ni80Mo20中，不仅缺陷尺寸最小，缺陷密度也显著降低；
- 高晶格畸变能够有效抑制辐照缺陷长大。
这一结果说明，强晶格畸变可以显著减缓辐照诱导缺陷演化过程。
图2：分子动力学模拟揭示缺陷“冻结”现象
通过累计级联碰撞分子动力学模拟，研究进一步分析了辐照缺陷形成与扩散行为。
结果发现：
- 在Ni中，缺陷容易迁移并聚集形成大型团簇；
- 在NiCoV中，间隙原子扩散减缓，但空位扩散反而增强；
- 而在Ni80Mo20中，间隙原子和空位都呈现出高度局域化迁移特征。
尤其值得注意的是，Ni80Mo20中的空位不再进行长程扩散，而是在局部晶格位置间反复“来回跳跃”，形成一种类似“冻结”的扩散行为。
这一发现突破了传统认知，即高晶格畸变不仅能够抑制间隙原子扩散，还能够在极端情况下显著局域化空位运动。
图3：晶格畸变调控空位扩散机制
为了揭示空位被冻结的根本原因，作者进一步分析了空位形成能与迁移能分布。
研究发现：
- 增强晶格畸变会显著拓宽局域能量分布；
- 虽然平均迁移能垒降低，但不同晶格位置之间形成了更强的局域能量陷阱；
- 空位倾向于在相邻晶格位置之间进行“前后往返跳跃”，从而难以实现有效长程扩散。
作者提出：
空位扩散实际上由两种竞争机制共同决定：
- 更低的迁移能垒促进空位跳跃；
- 更强的局域能量涨落则增强空位俘获。
当晶格畸变超过约4%后，后者开始占主导作用，最终导致空位扩散被冻结。
图4：统一解释不同高熵合金中的辐照行为争议
基于系统实验和理论分析，作者提出了一个统一的“晶格畸变调控缺陷演化”框架：
- 低至中等晶格畸变：
- 抑制间隙原子扩散；
- 增强空位迁移；
- 提高缺陷复合效率。
- 极高晶格畸变：
- 同时冻结间隙原子与空位；
- 抑制缺陷聚集；
- 形成更加稳定的抗辐照结构。
这一机制成功解释了此前文献中关于空位团簇演化的矛盾实验结果。
小结：
本工作提出了一种全新的抗辐照材料设计策略：通过增强局域晶格畸变来“冻结”辐照缺陷。
研究发现：
- 适度晶格畸变能够促进缺陷复合；
- 极强晶格畸变则能够同时局域化间隙原子与空位；
- 当局域晶格畸变超过临界值后，材料中的辐照缺陷难以长程迁移和聚集，从而显著降低辐照损伤。
其中，Ni80Mo20合金由于具有目前FCC浓缩固溶体中最高水平的局域晶格畸变，展现出极优异的抗辐照性能，为基于固溶体合金以及高熵合金的抗辐照结构材料设计提供了新的理论基础和材料设计路径。
