通过氢键调节层间扭转释放应变

应变在材料中普遍存在，不仅与机械失效相关，更是调控材料性能的有力工具，在柔性电子、半导体性能提升、催化反应优化等领域有广泛应用，同时也是地球科学研究的关键，影响岩石变形、地幔动力学等地质过程。然而，许多体系中应变释放的潜在机制仍有待探索。

本研究建立了多模态成像和光谱范式，结合先进的原位透射电子显微镜（TEM）和原位X射线光谱，研究勃姆石晶体在热加热过程中的应变释放路径。勃姆石晶体由原位加热诱导的三水铝石转变形成，其层间通过氢键连接，具有独特的结构柔性。研究采用同步辐射X射线衍射（XRD）解析三水铝石/勃姆石晶体结构，低剂量TEM成像捕捉形貌，并通过4D扫描透射电子显微镜（4D-STEM）结合能量色散光谱（EDS） mapping揭示纳米尺度的应变分布和化学成分异质性。

利用4D-STEM对勃姆石薄片进行应变分析，发现应变主要集中在边缘和晶界，加热至575K并保温10分钟后，整个薄片实现应变松弛和畴重取向，应变分布更均匀。通过追踪摩尔纹图案的演变，揭示了一种此前未被发现的通过二维层扭转实现的应变释放路径。观察到两种勃姆石层直接堆叠形成的摩尔纹图案，对应不同的晶面，其间距随扭转角变化，可作为应变可视化的可靠指标。

研究还识别出摩尔纹图案演变的不同模式：快速传播（摩尔纹晶格定向迁移）、局部波动（图案轻微振荡调整）以及在晶界处的分裂-捕获（晶格被晶界捕获稳定）。神经网络势计算表明，小扭转角下的能量波动主要由勃姆石层间氢键的类干涉相互作用调制主导，亚稳扭转结构对应势能面的局部极小值。层间氢键的动态特性及其相互作用的类干涉调制显著增强了层扭转的柔性。

本研究发现的氢键介导层扭转应变松弛机制可能普遍存在于氢键键合的层状材料中，为设计具有增强功能的应变可调材料开辟了道路，在纳米电子学、能源技术和地球科学等领域具有应用前景。