【儀表網 研發快訊】近日，西安交通大學電氣工程學院孟國棟教授團隊在微納尺度真空絕緣領域取得突破性進展。該研究首次從實驗層面揭示了金屬納米結構在極端電場下的損傷機制，為攻克長期制約粒子加速器、高端真空開關及下一代微電子器件發展的真空絕緣失效難題，提供了關鍵的理論與實驗依據。相關成果已發表于國際頂級學術期刊《自然·通訊》(Nature Communications)。
直面應用瓶頸：從微觀源頭破解絕緣失效難題
在現代科技裝備不斷向更小尺度、更高場強、更復雜環境發展的趨勢下，真空絕緣的可靠性已成為決定性因素。無論是大科學裝置中的粒子加速器，還是電力系統中的真空斷路器，其性能極限往往受制于難以預測的突發性真空電擊穿。研究指出，擊穿常始于電極表面肉眼不可見的納米級微小突起，這些“薄弱點”在強電場下會產生巨大的局部場增強，引發電子發射，最終導致絕緣體系的崩潰。因此，闡明納米尺度上的材料行為，是從根源上提升絕緣能力的關鍵。
方法創新：在原子尺度“實時直播”電極演變過程
為了直接觀測這一微觀動態過程，孟國棟教授團隊聯合校內材料學院單智偉教授團隊及芬蘭赫爾辛基大學合作者，創新性地搭建了基于透射電子顯微鏡(TEM)的原位實驗平臺。該技術如同一個超高分辨率的“實時直播系統”，能在施加超高電場(約十億伏特每米量級)的同時，對純鎢納米針尖的原子結構變化進行直接觀察與記錄。團隊系統地研究了不同尖銳程度(曲率半徑3納米、5納米和9納米)的納米針尖的行為。
核心發現：揭示電場驅動納米結構形變的動態機制
通過精密的實驗，團隊取得了兩項重要發現：
演化路徑的規律：研究發現，納米針尖在強場下的形變具有明確的尺寸和晶體取向依賴性。特別尖銳的針尖(如3納米和5納米半徑)會經歷從球形到多面體，再趨向類球形的復雜結構轉變。在5納米針尖中，團隊清晰觀測到位錯 nucleation、運動與消失的全過程，這直接將宏觀失效與微觀缺陷動力學聯系起來。
主導機制的甄別：形變究竟由何種物理力主導？通過精巧設計的反極性對照實驗，團隊成功區分了電場力(麥克斯韋應力)與電子流沖擊力(電子風力)的各自作用。最終證實，由場發射電子流引發的電子風效應及其誘導的場輔助原子蒸發，是導致納米結構發生重塑和損傷的主導機制。這一結論為主動抑制損傷提供了明確的調控靶點。
重要意義與前景
這項題為《揭示電場驅動的金屬納米結構形變動力學機制》的研究，首次在實驗上完整呈現并明確了金屬納米電極在極端電應力下的失效微觀物理圖像。它打破了該領域長期以來主要依賴理論模擬和宏觀推測的局面，將真空絕緣的研究精度推向了原子尺度。
該成果不僅對理解真空擊穿的物理起源具有重大科學價值，更對實際工程應用具有直接指導意義。它為設計抗擊穿能力更強的電極表面微觀結構、研發新一代高可靠微納電子器件及高性能電氣裝備，奠定了堅實的科學基礎。
本研究工作由西安交通大學博士生李伊濛為第一作者，孟國棟教授等為通訊作者，并得到了國家自然科學基金等多個項目的支持。孟國棟教授所帶領的“微納尺度絕緣與放電”青年創新團隊，長期致力于電氣絕緣前沿基礎研究與關鍵技術攻關，已在多個國際知名期刊發表系列成果。
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