晶格位錯的形核和運動是多晶體材料的基本塑性變形機(jī)制。在傳統(tǒng)多晶金屬材料中位錯的形核增殖和儲存空間很大，因此其塑性變形過程往往由晶格位錯的運動所決定，而位錯形核通常不是塑性變形過程的主導(dǎo)因素。阻礙晶格位錯運動的缺陷（如晶界或第二相顆粒等）越多，金屬材料的強度則越高。然而對于納米金屬材料（晶粒尺寸在納米量級），這一基本規(guī)律受到挑戰(zhàn)，即由于晶粒內(nèi)部空間減小和晶界的約束作用，使晶格位錯的形核及運動在不同程度上均受到嚴(yán)重抑制，位錯形核及運動在材料塑性變形過程和力學(xué)行為中的作用將呈現(xiàn)新的特征。最近，美國布朗大學(xué)高華健教授研究組、美國阿拉巴馬大學(xué)魏宇杰教授與中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室盧磊研究員和盧柯研究員合作，利用大規(guī)模分子動力學(xué)計算模擬，發(fā)現(xiàn)在納米孿晶金屬中的位錯形核可主導(dǎo)材料的塑性變形過程，該成果發(fā)表于2010年4月8日出版的《自然》雜志上（Nature, 464 (2010) 877）。

    2004年，盧磊研究組發(fā)現(xiàn)了具有超高強度和導(dǎo)電性的新一類納米結(jié)構(gòu)金屬——納米孿晶金屬銅（Science, 304 (2004) 422），隨后于2009年又發(fā)現(xiàn)了納米孿晶銅中的極值強度和超高加工硬化效應(yīng)(Science, 323(2009)607)，這些結(jié)果表明，納米孿晶結(jié)構(gòu)金屬材料具有獨特的塑性變形機(jī)制和力學(xué)行為。基于上述實驗發(fā)現(xiàn)，新的合作研究利用大規(guī)模分子動力學(xué)模擬（1.4億個原子）和位錯形核分子動力學(xué)理論研究了納米孿晶結(jié)構(gòu)金屬材料的變形機(jī)理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)孿晶片層厚度減小到臨界值時出現(xiàn)極植強度，此時由位錯塞積和位錯穿過孿晶界為主導(dǎo)的傳統(tǒng)強化機(jī)制（通常符合Hall-Petch關(guān)系）將轉(zhuǎn)變?yōu)橛善叫杏趯\晶界面不全位錯的形核和運動（引起孿晶界遷移）而主導(dǎo)的軟化機(jī)制。該計算模擬結(jié)果成功地解釋了納米孿晶Cu樣品中的極值強度和臨界孿晶片層厚度的關(guān)系，同時進(jìn)一步表明了該極值強度與晶粒尺寸的依賴關(guān)系，即晶粒尺寸越小，臨界孿晶片層尺寸也越小，從而材料的極值強度越高。

    該研究從計算模擬的角度揭示了納米孿晶結(jié)構(gòu)金屬中位錯形核源主導(dǎo)的特殊塑性變形機(jī)理，這不僅深化了人們對金屬材料力學(xué)行為及變形機(jī)理的納米尺寸效應(yīng)的理解，同時也對納米孿晶結(jié)構(gòu)金屬材料的基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用具有重要的理論價值。