在材料開發中，人們常在低於熔點的溫度下進行燒結，使粉體加熱固性，同時摻雜多種元素以促進反應調控微觀結構。燒結後的陶瓷是由大量原子排列方向各異的「晶粒」聚集而成。已有研究表明，摻雜元素會伴隨燒結的過程沿晶粒的邊界（晶界）擴散。然而，這些元素具體以何種方式沿著怎樣的原子路徑在晶界中擴散，目前仍缺乏明確的認知。
東京大學研究生院工學系研究科的馮斌特任副教授、柴田直哉教授等人組成的研究團隊，利用原子級分辨率電子顯微鏡技術，研究了鈦（Ti）原子在陶瓷材料氧化鋁晶界中的擴散路徑，明確其在擴散過程中佔據的原子位，並揭示了擴散前端附近晶界原子結構的演化與重新框架特徵。結果發現：當Ti原子在非對稱原子結構的氧化鋁晶界擴散並富集到閾值濃度後，晶界的原子結構會從非對稱轉變為對稱結構。進一步對比擴散速度後發現，對稱結構中Ti原子的擴散速度可達非對稱結構的10倍以上。也就是說，在晶界轉變為對稱結構的瞬間，Ti原子的晶界擴散會急劇加速，這種「兩步擴散現象」尚屬首次報告。
（a）陶瓷材料表面1微米（1微米=百萬分之一米）範圍内存在大量Ti原子，原子結構呈對稱結構；（b）在深度約1微米的晶界處，紅色虛線部分發生了非對稱-對稱的結構轉變；（c）比該位置更深的部分則為非對稱結構。
上述成果有望用於確定陶瓷的最佳燒結製程並預測其微觀結構演化，從而促進高性能多晶材料的高效開發。（TEXT：中條將典）
原文：JSTnews 2026 年 2 月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Two-step grain boundary diffusion mechanism of a dopant accompanied by structural transformation
DOI：10.1038/s41467-025-65745-5
