【仪表网 研发快讯】近日，西安交通大学电气工程学院孟国栋教授团队在微纳尺度真空绝缘领域取得突破性进展。该研究首次从实验层面揭示了金属纳米结构在极端电场下的损伤机制，为攻克长期制约粒子加速器、高端真空开关及下一代微电子器件发展的真空绝缘失效难题，提供了关键的理论与实验依据。相关成果已发表于国际顶级学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)。
直面应用瓶颈：从微观源头破解绝缘失效难题
在现代科技装备不断向更小尺度、更高场强、更复杂环境发展的趋势下，真空绝缘的可靠性已成为决定性因素。无论是大科学装置中的粒子加速器，还是电力系统中的真空断路器，其性能极限往往受制于难以预测的突发性真空电击穿。研究指出，击穿常始于电极表面肉眼不可见的纳米级微小突起，这些“薄弱点”在强电场下会产生巨大的局部场增强，引发电子发射，最终导致绝缘体系的崩溃。因此，阐明纳米尺度上的材料行为，是从根源上提升绝缘能力的关键。
方法创新：在原子尺度“实时直播”电极演变过程
为了直接观测这一微观动态过程，孟国栋教授团队联合校内材料学院单智伟教授团队及芬兰赫尔辛基大学合作者，创新性地搭建了基于透射电子显微镜(TEM)的原位实验平台。该技术如同一个超高分辨率的“实时直播系统”，能在施加超高电场(约十亿伏特每米量级)的同时，对纯钨纳米针尖的原子结构变化进行直接观察与记录。团队系统地研究了不同尖锐程度(曲率半径3纳米、5纳米和9纳米)的纳米针尖的行为。
核心发现：揭示电场驱动纳米结构形变的动态机制
通过精密的实验，团队取得了两项重要发现：
演化路径的规律：研究发现，纳米针尖在强场下的形变具有明确的尺寸和晶体取向依赖性。特别尖锐的针尖(如3纳米和5纳米半径)会经历从球形到多面体，再趋向类球形的复杂结构转变。在5纳米针尖中，团队清晰观测到位错 nucleation、运动与消失的全过程，这直接将宏观失效与微观缺陷动力学联系起来。
主导机制的甄别：形变究竟由何种物理力主导？通过精巧设计的反极性对照实验，团队成功区分了电场力(麦克斯韦应力)与电子流冲击力(电子风力)的各自作用。最终证实，由场发射电子流引发的电子风效应及其诱导的场辅助原子蒸发，是导致纳米结构发生重塑和损伤的主导机制。这一结论为主动抑制损伤提供了明确的调控靶点。
重要意义与前景
这项题为《揭示电场驱动的金属纳米结构形变动力学机制》的研究，首次在实验上完整呈现并明确了金属纳米电极在极端电应力下的失效微观物理图像。它打破了该领域长期以来主要依赖理论模拟和宏观推测的局面，将真空绝缘的研究精度推向了原子尺度。
该成果不仅对理解真空击穿的物理起源具有重大科学价值，更对实际工程应用具有直接指导意义。它为设计抗击穿能力更强的电极表面微观结构、研发新一代高可靠微纳电子器件及高性能电气装备，奠定了坚实的科学基础。
本研究工作由西安交通大学博士生李伊濛为第一作者，孟国栋教授等为通讯作者，并得到了国家自然科学基金等多个项目的支持。孟国栋教授所带领的“微纳尺度绝缘与放电”青年创新团队，长期致力于电气绝缘前沿基础研究与关键技术攻关，已在多个国际知名期刊发表系列成果。
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