最近有水友问了一个很好的问题，那就是如何区分原子簇(cluster), 晶粒(grain), 和 颗粒 (particle) 的概念。这些都是材料里面比较基础而且重要的概念，相互是不一样但是有时候有共同点，有时候对于同一个东西有不同的叫法容易让人疑惑。

那我们先从他们的英文概念出发，这都在维基百科上能搜得到，然后接下来我会通过例子讲什么时候描述东西能同时用什么时候不能。

原子簇 (cluster): collections of 2 to 10^6 atoms. 

晶粒 (grain): usually microscopic crystals

颗粒 (particle): ummm almost everything in physics...

首先我们从颗粒 (particle)开始吧，因为这概念十分的广，从物理的角度来看，在量子物理中小到最基础的粒子（电子，光子，夸克。。。），在天体物理中大到一个星球，一个恒星，都可以称作particle。要真正定义particle是要对比着说的，对比我们日常生活的常用的尺度，一粒沙子是particle，因为它对于我们很小，像板蓝根颗粒，也叫particle。那对于一个银河系，那一颗恒星就如一粒沙，那也叫做particle。但是对于我们日常生活的大小就不行。对于我们所学的材料学，我们一般，是一般，把particle定在介于原子到沙子那么大，也就是0.0000000001m 到0.001m大概这么大。也有可能更大，看你研究什么，如果研究混凝土，那一颗小石头也是particle。现在材料学研究到原子以下的尺度是很难的，所以一般也就到原子为止。给大家直接举例子看材料学术文章里面的particle是怎么用的：

比如下面这个图1. 是SEM下面的超合金的组织。这里主要有两个固相，gamma (亮色的小方块) 和gamma-prime (暗色的网格)。一个小方块大概就在2μm的大小，可以称为particle。

再比如图2.学粉末冶金的同学肯定会熟悉的一颗颗的粉末。在SEM下面有不同的形状，圆形，树枝形等等，制备工艺不同造成的。也叫particle。粉末一般在几μm到几百μm之间。当然也有纳米粉末，一般几十到几百纳米之间。

这时候可以谈谈晶粒 (grain)了，但是particle还没完哦。一般来说晶粒是从纳米到厘米的范围谈的。当然也有更大的，像单晶硅，在视频里讲过，一块大的单晶硅可以比人高。那晶粒其实重在强调原子按照晶格来连续排列。一个晶粒内，这个排列一定是连续的，一直到不连续的地方，比如图3. 那些暗色的条纹是晶界，围起来的小块的晶体就是晶粒，这些晶粒内部原子一定是连续的，一直到晶界----两个晶粒之间由于不连续的界面。

晶粒的一个简化图就是下面的图4. 一个色块就是一个晶粒，晶粒内部的原子按照一定方向排列，一直到两个色块之间，他们原子排列方向不一样，所以原子就不连续了。

那晶粒重在原子的连续，而particle重在描述相对大小。所以这两者是有重叠的地方的。举三个例子：

 对于一块材料来说，一个晶粒相对小，相当于一个particle。不少文章就是这么换词的，虽然我不是很喜欢这样。

又或者对于一个小晶粒，它有一个小杂质，比如图3上面有一些黑点，那些黑点我不知道是啥（大概是气囊，也有可能是杂质）。如果那是一块小杂质在晶粒里面，那这块小杂质对于晶粒其实也可以看作一个particle。

对于图2里面的粉末颗粒，一个particle可以是一个晶粒也可以是多个晶粒。这要看一个粉末颗粒里的原子是不是都是连续的排列。一个类比就是，你是巨人抓起一块鹅卵石，这块鹅卵石当作一个粉末颗粒，但是如果你掰开鹅卵石，你发现有很多更小的颗粒露了出来，这就是这个鹅卵石由更小的晶粒组成。粉末颗粒如果很大，可能是由多个晶粒组成的，中间原子排列并不连续。

最后就要说到原子簇 (cluster)了，但是particle和grain还没完哦！cluster也就是如其名字由原子聚集起来组成，原子数可以从2个到1000000个（大概这个范围，有人觉得从3个原子开始）。cluster不像晶粒一样要求原子一定是按照晶格连续的结构排列，有点像下课了，只是有点像，学生在操场上做操，某几个穿着相同颜色的学生在方阵里站好，他们站的不一定那么有规律（当然有规律也可以）。那么1000000个原子的cluster有多大呢，如果按照一个原子半径是0.13nm的话，一个球状的cluster大概可以有几十nm左右。这里有一个例子图5. 这是原子探针（APT）分析出来的元素分布。比如你看图5.A-D，这个看似梯形的东西其实就是一个样品，这个样品大概是30nm那么宽，大家可以用手比比有多大。然后这红色绿色黄色这些点点是一个个的原子，形成的图像，如果不仔细看大家会觉得这些原子分布的挺均匀的。但是如果仔细看图5.A，这个红色的分布有些地方密一些地方稀疏，密的地方说明Cr这个元素多，疏的地方Cr元素相对少。那就是说Cr密集的地方也就是有cluster的现象。当有更密集地情况出现的时候，比如图5.M最左下角，一些更明显的cluster出现了。

那cluster和particle和grain是啥关系呢。对于cluster，他一般不会打断晶粒的连续性，只是在内部存在某些原子聚集。所以一般来说cluster都是存在晶粒里，对于一个晶粒来说，这些cluster比较小，那是不是就可以看成是particle了。比如上面的图5.M的那些一小块一小块的聚集物，图中标着的是precipitate，不过在这个环境下称为cluster是没问题的。这些cluster/precipitate相对这块样品就是particle，因为他们相当于小。

那关于这三者的定义就讲这么多吧。如果存在疑问的地方或者未有解释清楚的地方可以留言指出。

REFERENCE：

[1] Titus, M.S., Rhein, R.K., Wells, P.B., Dodge, P.C., Viswanathan, G.B., Mills, M.J., Van der Ven, A. and Pollock, T.M., 2016. Solute segregation and deviation from bulk thermodynamics at nanoscale crystalline defects. Science advances, 2(12), p.e1601796.

[2] Ponraj, N.V., Vettivel, S.C., Azhagurajan, A., Nabhiraj, P.Y., Theivasanthi, T., Selvakumar, P. and Lenin, A.H., 2017. Effect of milling on dispersion of graphene nanosheet reinforcement in different morphology copper powder matrix. Surfaces and Interfaces, 9, pp.260-265.

[3] Callister, W.D. and Rethwisch, D.G., 2011. Materials science and engineering (Vol. 5, pp. 344-348). NY: John wiley & sons.

[4] El-Atwani, O., Li, N., Li, M., Devaraj, A., Baldwin, J.K.S., Schneider, M.M., Sobieraj, D., Wróbel, J.S., Nguyen-Manh, D., Maloy, S.A. and Martinez, E., 2019. Outstanding radiation resistance of tungsten-based high-entropy alloys. Science advances, 5(3), p.eaAV2002.