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最新《Nature Materials》:在超低温,也能实现晶体快速生长!

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长期以来,人们认为快速深淬火所带来的缓慢的液体扩散和几何阻力,抑制了快速结晶,促进了玻璃化。在此,来自北京大学的徐莉梅&日本东京大学的Hajime Tanaka&复旦大学的谭鹏等研究者,报告了在深层过冷下带电胶体系统的快速晶体长大行为,其中液体扩散率极低。相关论文以题为“Fast crystal growth at ultra-low temperatures”发表在Nature Materials上。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41563-021-00993-6

从深过冷液体中快速生长晶体,是凝聚态物理和材料科学中一个非常重要的动态过程。在许多工业应用中,防止玻璃化、提高形成的晶体质量或防止玻璃结晶是至关重要的。经典的结晶理论告诉我们,晶体生长速率由K(T)(1-exp(Δμ/kBT))给出,其中K(T)是表示原子加入晶体的速率的动力学因子,T是温度,kB是波尔兹曼常数,(1-exp(Δμ/kBT))表示热力学因子,其中Δμ=μliq-μcry为液晶之间的化学电位差。在深度过冷的液体中,热力学因子接近于1,而动力学因子K(T)关键,取决于有序动力学,这一直是一个值得深入研究的问题。

关于浅过冷液体中的微观有序动力学,最近的研究报道了具有较大键取向有序(BOO)的液体结构,即“前驱体结构”,总是润湿晶体表面。因此,一个小的调整就足以使界面转变为晶体。此外,平面或晶壁,不仅增强了类晶态BOO,而且还增强了液晶界面的分层(一维(1D)平动有序),这可以看作是一种润湿。另一方面,快速过冷阻碍结晶形成类二十面体结构。最近的一项模拟工作显示,当几何阻力效应可以忽略时晶体快速生长,是由于界面颗粒的无阻挡有序性,并由常数K(T)表征。胶体实验通过“无能垒跳跃”(barrier-free jump),进一步观察了晶体的生长,这种“无能垒跳跃”对应于粒子的随机游动,转化为原子系统中的碰撞受限生长。

冷却时,液体扩散的急剧减缓,似乎表明在深度过冷时无能垒有序,可能是快速晶体生长的机制。然而,这一假设仍有待实验验证。此外,快速、深过冷倾向于给固相带来更多的无序。因此,晶体生长过程如何消除无序并决定晶体质量是另一个关键问题。

在此,研究者将胶体实验与单粒子分辨率和数值模拟相结合,表明快速晶体生长是通过界面上的无阻挡集体运动进行的,而没有涉及笼外扩散。通过实验和模拟相结合,研究者发现这一过程,是通过壁致无阻挡有序进行的,其由两个耦合步骤组成:粗糙界面的阶梯状前进瓦解了阻挫,然后在新形成的固相内部进行缺陷修复。前者是一个无扩散的集体过程,而后者控制晶体质量。研究者进一步分析表明,由于晶体生长前沿的无序玻璃态的内在力学不稳定性,即使在超低温下,也可以实现多米诺骨牌式的快速晶体生长。

图1 快速晶体生长的界面轮廓。

图2 晶体生长前沿呈阶梯状前进。

图3 晶体生长速度由无能垒有序决定。

图4 当T=0时,κσ≈2.0的晶体生长。

图5 固相内部的取向关系和结构有序。

综上所述,研究者得出结论,通过增加预序的容易程度、二次有序效率和晶体-液体密度匹配的程度,无序玻璃态更容易失稳。这些发现,为如何稳定玻璃态(即避免反玻璃化)提供了关键信息,以及什么样的材料可以在深度过冷的情况下结晶。这些信息,对各种工业应用应该是十分有益的。(文:水生)

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系,未经许可谢绝转载至其他网站。

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