中國(guó)科大物理學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心徐寧教授研究組與復(fù)旦大學(xué)物理系譚鵬教授研究組合作，在低溫結(jié)晶機(jī)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日在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
結(jié)晶是復(fù)雜的非平衡動(dòng)力學(xué)過(guò)程，其中包含了多種局域結(jié)構(gòu)的時(shí)空演化。厘清各種結(jié)構(gòu)之間的競(jìng)爭(zhēng)、探討促進(jìn)和阻礙晶體生長(zhǎng)的因素一直以來(lái)都是備受關(guān)注的前沿研究?jī)?nèi)容。經(jīng)典成核理論給出了結(jié)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(jié)晶溫度至動(dòng)力學(xué)旋節(jié)線溫度的“高溫”區(qū)間，成核過(guò)程伴隨著顯著的粒子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。在動(dòng)力學(xué)旋節(jié)線溫度以下的“低溫”區(qū)間，由于粒子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)減慢，與晶體構(gòu)型不匹配的二十面體結(jié)構(gòu)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(rèn)為晶體生長(zhǎng)速率會(huì)變慢。然而，研究表明晶體生長(zhǎng)速率反倒會(huì)在低于動(dòng)力學(xué)旋節(jié)線溫度的時(shí)候達(dá)到最大。此外，隨著溫度進(jìn)一步降低至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近，玻璃化會(huì)強(qiáng)烈阻礙晶體成核生長(zhǎng)。因此，擴(kuò)散、結(jié)構(gòu)阻挫、玻璃化轉(zhuǎn)變等因素的相互作用和競(jìng)爭(zhēng)使得“低溫”區(qū)間的結(jié)晶更加復(fù)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(tuán)隊(duì)運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬，細(xì)致深入地探討了“低溫”區(qū)間的早期成核過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)特征溫度，這兩個(gè)溫度把整個(gè)溫度區(qū)間劃分為三個(gè)部分。較高的特征溫度Td對(duì)應(yīng)于最大的成核速率，在高于該特征溫度的溫度區(qū)間內(nèi)，成核主要以粒子擴(kuò)散的模式發(fā)展演化。在低于Td的溫度區(qū)間內(nèi)，成核以非擴(kuò)散的模式進(jìn)行，結(jié)晶前驅(qū)體（晶體粒子的“前身”，局域結(jié)構(gòu)較有序的粒子）的數(shù)量達(dá)到飽和，同時(shí)，二十面體結(jié)構(gòu)隨著溫度的下降而增多，當(dāng)達(dá)到較低的特征溫度Tp的時(shí)候，二十面體結(jié)構(gòu)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(qū)體向晶體演化，結(jié)晶依舊可以緩慢進(jìn)行。在低于Tg的溫度區(qū)間，由于粒子的振動(dòng)太弱，結(jié)晶在可觀測(cè)的時(shí)間范圍內(nèi)幾乎不再進(jìn)行。該工作給出了迄今為止低溫結(jié)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(jié)構(gòu)與前驅(qū)體之間平衡的結(jié)果，并且厘清了多種結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)之間相互影響、相互競(jìng)爭(zhēng)的復(fù)雜關(guān)系。
圖1.“低溫”區(qū)間成核結(jié)晶的（a）動(dòng)力學(xué)和（b）結(jié)構(gòu)的溫度依賴。（c）不同溫度區(qū)域內(nèi)晶體粒子占比達(dá)到1%時(shí)各種結(jié)構(gòu)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(guó)家研究中心的博士生占?jí)翩率窃摴ぷ鞯牡谝蛔髡?，徐寧教授和譚鵬教授為共同通訊作者。這項(xiàng)工作得到了國(guó)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(guó)家研究中心、科研部）
