上世纪80年代末发现临界温度高于液氮沸点（77 K）的YBa2Cu3O7-x (简称：YBCO)高温超导体已在前沿物理、清洁能源以及生物医疗等领域展现出重要应用前景。然而，YBCO是一种典型的陶瓷超导材料，其固有的脆性严重制约了加工成形能力与结构可靠性；同时，超导性能高度依赖于晶体取向和晶界结构，因此，如何在宏观尺度实现稳定、可控的织构调控，在提升超导性能的同时实现力学性能的增强始终是应用超导领域面临关键难题之一。
美国贝尔实验室最早认为银（Ag）是一种与YBCO体系高度相容金属并提出了通过掺杂Ag元素来改善YBCO超导块材的超导性能和断裂韧性的观点。随后大量的研究表明，Ag元素的引入不仅不会显著降低YBCO的临界温度，反而可通过增强磁通钉扎和改善晶粒连接性显著提升临界电流密度，同时在断裂韧性和弯曲强度等方面均有明显改善。然而，Ag元素在YBCO体系中究竟是以晶界偏析的形式存在，还是能够进入晶格形成固溶体，其空间分布特征及其对晶体取向和织构演化的影响机制，长期以来仍存有争议、相关微观机理尚不清晰。
针对上述难题，兰州大学张兴义教授团队在近年实现的超导材料3D打印可控制备工艺（AFM, 2021）基础上提出了一种双材料共挤结合冷冻铸造的结构化制备策略，在YBCO–Ag体系中构建了同时具有宏观材料界面与定向孔隙通道的复合结构，如图1所示。该策略通过在成形阶段引入可设计的空间结构，为后续热处理过程中掺杂元素的扩散路径和反应行为提供了明确的几何约束，从而突破了传统粉体混合掺杂中成分均匀、过程不可追踪的局限。研究发现，在随后的高温烧结与退火过程中，Ag+离子优先沿冷冻铸造形成的定向孔道发生快速扩散，在材料内部形成由界面向基体逐渐衰减的浓度梯度。其中，一部分Ag+能够进一步进入YBCO超导晶粒（Y123）内部，选择性取代Cu–O链中的Cu(1)位点，形成具有明确晶体取向特征的Ag掺杂固溶相。原子尺度表征结果直接证实了Ag的取代行为及其在晶格中的稳定存在，而非仅以晶界沉淀或第二相的形式存在，如图2所示。
随后，他们通过第一性原理计算进一步揭示了这一取代行为对晶体结构演化的内在驱动力。如图3所示，计算结果表明，Ag+取代Cu(1)位点后，Ag–O键的形成会显著改变局域配位环境，诱导晶格沿c轴方向发生各向异性的定向弛豫，使得[001]方向在能量上更有利于持续生长。这种由局域化学取代引发的结构弛豫，为实验中观察到的取向固溶相形成提供了清晰的物理依据。
进一步研究表明，该[001]取向的Ag掺杂固溶相在烧结过程中可作为取向模板，与随后生成的 Y123 超导相之间形成低界面能的共格界面，如图4所示。这种高度匹配的界面结构能够在晶粒生长过程中有效传递取向信息，诱导主体 YBCO 块体发生显著的织构化生长，实现由局域取向向宏观织构的放大与继承，如图5所示。与此同时，未进入晶格的 Ag 则主要富集于晶界区域，形成连续的晶界桥接网络，在增强晶粒间电流连通性的同时，提高了材料在外载荷作用下的结构稳定性。
最后，他们发现这种织构取向效应与晶界桥接机制的协同作用，使得材料的临界电流密度得到显著提升，并促使裂纹扩展机制由传统的沿晶断裂逐步向穿晶断裂转变，明显改善了块体YBCO超导材料的力学韧性与整体结构完整性，如图6所示。总体而言，该研究从“固溶掺杂—晶格弛豫—共格界面—织构传递”这一完整演化链条出发，系统揭示了一种由局域化学取代驱动宏观织构演化的新机制，不仅深化了对Ag掺杂YBCO作用本质的认识，也为多相REBCO超导材料中结构设计、织构调控与性能协同优化提供了具有启发意义的新思路。
上述研究成果以 “Mechanism of Solid Solution‐Driven Texture Induced by Ag Doping in YBCO Superconductor” 为题，发表在国际知名期刊《Advanced Science》上。兰州大学博士生赵芬妍与张宝强讲师为论文共同第一作者，张兴义教授为通讯作者，萃英博士后苏西洋和博士生赵艳堂为论文的其他作者。该研究得到了国家重点研发计划项目(No.2024YFB4607300)、国家杰青(No.12325205)、面上项目(No.12572206)、兰州市杰出人才研究基金(No.127000-563225112)和甘肃省科技领军人才项目(No.24RCKB008)的联合资助。
论文评阅过程中，国际同行专家对该研究给予了高度评价。审稿人指出，该工作“designs a dual-material co-extrusion + freeze-drying route to create a macroscopic Ag–YBCO interface with directional pores”，并认为这是一个“interesting topic”，体现了材料结构设计与性能调控的有机结合。另一位评阅人进一步评价认为，该研究“for the first time reveals the novel mechanism of ‘solid solution-driven texture’”，在Ag掺杂YBCO超导体的机理认识方面取得了突破性进展，并强调“significant progress has been made in the synergistic improvement of superconducting and mechanical properties, with important application background and academic significance”。同时，评阅人高度认可论文“relatively systematic experimental design”以及“comprehensive characterisation methods, with innovative conclusions”，认为该成果在高温超导材料结构调控与性能协同优化领域具有重要的科学价值和工程指导意义。
