中國科大物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心徐寧教授研究組與復旦大學(xué)物理系譚鵬教授研究組合作，在低溫結晶機理的相關(guān)研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果2023年4月25日在線(xiàn)發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
結晶是復雜的非平衡動(dòng)力學(xué)過(guò)程，其中包含了多種局域結構的時(shí)空演化。厘清各種結構之間的競爭、探討促進(jìn)和阻礙晶體生長(cháng)的因素一直以來(lái)都是備受關(guān)注的前沿研究?jì)热荨＝?jīng)典成核理論給出了結晶成核的熱力學(xué)圖像，然而，近年來(lái)的研究表明，經(jīng)典成核理論適用于結晶溫度至動(dòng)力學(xué)旋節線(xiàn)溫度的“高溫”區間，成核過(guò)程伴隨著(zhù)顯著(zhù)的粒子擴散運動(dòng)。在動(dòng)力學(xué)旋節線(xiàn)溫度以下的“低溫”區間，由于粒子擴散運動(dòng)減慢，與晶體構型不匹配的二十面體結構也參與到了成核過(guò)程中，這些都是不利于成核的因素，因此，人們有理由認為晶體生長(cháng)速率會(huì )變慢。然而，研究表明晶體生長(cháng)速率反倒會(huì )在低于動(dòng)力學(xué)旋節線(xiàn)溫度的時(shí)候達到最大。此外，隨著(zhù)溫度進(jìn)一步降低至玻璃化轉變溫度附近，玻璃化會(huì )強烈阻礙晶體成核生長(cháng)。因此，擴散、結構阻挫、玻璃化轉變等因素的相互作用和競爭使得“低溫”區間的結晶更加復雜混亂，缺乏一個(gè)清晰的圖像。
徐寧教授和譚鵬教授的合作團隊運用分子動(dòng)力學(xué)模擬，細致深入地探討了“低溫”區間的早期成核過(guò)程，發(fā)現了兩個(gè)特征溫度，這兩個(gè)溫度把整個(gè)溫度區間劃分為三個(gè)部分。較高的特征溫度Td對應于最大的成核速率，在高于該特征溫度的溫度區間內，成核主要以粒子擴散的模式發(fā)展演化。在低于Td的溫度區間內，成核以非擴散的模式進(jìn)行，結晶前驅體（晶體粒子的“前身”，局域結構較有序的粒子）的數量達到飽和，同時(shí)，二十面體結構隨著(zhù)溫度的下降而增多，當達到較低的特征溫度Tp的時(shí)候，二十面體結構形成逾滲，表明玻璃化開(kāi)始阻礙成核。在Tp和玻璃化溫度Tg之間，由于玻璃化的阻礙，成核速率隨溫度降低而快速下降，但是由于粒子的的振動(dòng)仍然能夠推動(dòng)前驅體向晶體演化，結晶依舊可以緩慢進(jìn)行。在低于Tg的溫度區間，由于粒子的振動(dòng)太弱，結晶在可觀(guān)測的時(shí)間范圍內幾乎不再進(jìn)行。該工作給出了迄今為止低溫結晶最為完整和清晰的圖像，表明最大成核速率是二十面體結構與前驅體之間平衡的結果，并且厘清了多種結構和動(dòng)力學(xué)之間相互影響、相互競爭的復雜關(guān)系。
圖1.“低溫”區間成核結晶的（a）動(dòng)力學(xué)和（b）結構的溫度依賴(lài)。（c）不同溫度區域內晶體粒子占比達到1%時(shí)各種結構的粒子空間分布（三維體系的一個(gè)二維截面）狀況。
合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的博士生占夢(mèng)媛是該工作的第一作者，徐寧教授和譚鵬教授為共同通訊作者。這項工作得到了國家自然科學(xué)基金委以及上海市教育局、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì )的支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.178201
（物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、科研部）
