近日，上海大学先进特殊钢全国重点实验室任忠鸣教授、帅三三教授团队在外场调控固/液界面能与晶体形貌设计领域取得重要突破。研究团队依托19.2 T/1300 T⟡·m⁻¹超导磁体实验平台，提出了一种磁耦合晶体相场（Magnetically Coupled Phase-Field Crystal, MPFC）理论模型，揭示了外部磁场调控固/液界面自由能各向异性及晶体生长形貌演变的新机制，为实现晶体形貌主动设计和凝固组织精准调控提供了新的理论方法。
相关研究成果以“Enabling programmable crystal morphologies by exploiting external magnetic fields to tune interfacial energies”为题发表于金属材料领域权威期刊《Acta Materialia》（影响因子10.7）。上海大学为第一单位，助理研究员黄成林为论文第一作者，任忠鸣教授、帅三三教授以及美国奥克兰大学Ken Elder教授为共同通讯作者。论文合作团队还包括上海大学玄伟东教授、胡涛副教授，德国耶拿大学Peter Galenko教授、德累斯顿工业大学Rainer Backofen博士，华东师范大学杨洋教授、西北工业大学王雷教授以及英国伦敦大学学院范贤强博士。
图1. 论文首页
晶体形貌和凝固组织演变是决定金属材料性能的重要因素之一。长期以来，固/液界面自由能作为连接原子尺度结构与宏观晶体形貌的重要热力学参数，被认为主要由晶体结构、化学组成以及温度等内禀因素决定，其各向异性特征通常被视为材料固有属性。因此，如何利用外部物理场主动调控界面自由能，实现晶体生长过程的精准控制，是凝固科学领域的重要挑战。
针对这一关键科学问题，研究团队提出利用强磁场作为外部调控手段，通过磁场诱导的界面热力学状态变化，实现固/液界面自由能及其各向异性的主动调控。依托上海大学先进特殊钢全国重点实验室19.2 T/1300 T⟡·m⁻¹超导磁体实验平台，结合平衡液滴法、晶体形貌重构以及理论模拟等多尺度研究方法，系统研究了磁场作用下固/液界面能演变规律及其对晶体生长行为的影响。
研究发现，静态强磁场能够有效改变合金固/液界面的热力学平衡状态，使界面自由能及其各向异性发生可控变化，进而调节晶体择优生长方向和最终形貌。通过改变磁场强度，可以实现晶体形貌由传统稳定结构向非传统形貌的转变，为晶体结构设计提供了一种新的外场调控策略。
图2. 19.2 T/1300 T⟡·m⁻¹超导磁体实验平台
为进一步阐明磁场调控界面能的内在物理机制，研究团队原创发展了磁耦合晶体相场（Magnetically Coupled Phase-Field Crystal, MPFC）模型，将磁自由能贡献引入相场晶体理论框架，实现了磁场作用下原子尺度结构演变、界面自由能变化以及晶体形貌演化之间的跨 尺度关联。
该模型兼具分子动力学方法在原子尺度结构描述方面的优势以及相场方法在扩散尺度演化预测方面的特点，可用于预测不同磁场条件下晶体界面原子结构和形貌演变规律。
图3. 磁耦合晶体相场（MPFC）理论模型及磁场调控机制
模拟结果表明，通过调节磁场相关参数，可以连续改变固/液界面自由能各向异性强度，实现晶体形貌的可预测调控。该理论模型建立了“磁场—界面自由能—晶体形貌”之间的定量关联，为外场驱动材料设计和先进凝固制造提供了新的理论工具。
图4. 磁场诱导界面能各向异性调控晶体形貌机制
进一步地，研究团队将MPFC模型获得的磁场依赖界面能参数引入三维定量相场模型，结合薄界面（thin-interface）理论，实现了磁场条件下枝晶生长过程的定量预测，建立了从界面热力学调控到宏观晶体形貌演变的完整理论链条。
图5. 从界面能调控到晶体形貌预测的多尺度理论框架
该研究成果具有重要科学意义和应用价值：
（1）提出了一种利用外部磁场主动调控固/液界面自由能的新方法，拓展了传统凝固理论中界面性质调控的物理途径；
（2）建立了磁场作用下界面热力学与晶体生长行为之间的理论联系，揭示了外场影响材料凝固过程的新机制；
（3）发展了磁耦合相场晶体模型，为晶体形貌预测、微结构设计以及先进材料制造过程优化提供了新的计算方法。
本研究使用的19.2 T/1300 T⟡·m⁻¹超导磁体实验平台，为探索强磁场条件下材料凝固行为和界面动力学过程提供了重要实验基础。该平台未来将在材料电磁加工、凝固科学、磁流体力学以及多物理场耦合材料制造等领域发挥重要作用。
该工作是上海大学先进特殊钢全国重点实验室任忠鸣教授、帅三三教授团队在电磁冶金、凝固理论及材料微结构调控领域取得的系列研究成果之一。研究成果得到了国家自然科学基金项目（Grant No. 52271035）、上海市相关科研项目以及美国国家科学基金项目（NSF DMR-2006456）的支持。
未来，团队将进一步探索强磁场、梯度磁场等多物理场耦合作用下的凝固调控机制，发展面向先进金属材料制造的外场驱动晶体工程方法，为高性能铝合金、高温合金、特殊钢等先进材料制造及新型材料设计提供理论支撑。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122606
