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更新教科书：UCLA领导的研究修正了晶体形成理论
先进材料的3D原子成像为液体冻结成固体等转变提供了新的见解。
来源:UCLA关键要点
关于冷凝、冻结和其他相变如何开始的最常见科学方法基于经典成核理论，该理论大约在一个世纪前发展起来。成千上万的实验支持了一个关键方程，该方程描述了称为核的初始有序种子如何在无序物质中形成。
现在，一项由UCLA领导的新研究提出了对经典成核理论的修订。
该研究发表在《自然·材料》上，使用了由具有不同程度原子有序性的复杂材料制成的微小球体或纳米颗粒。研究人员设计了一种方法，在相变过程中捕捉处于不同发育阶段的晶核。
当研究团队使用一种可在3D中绘制单个原子的成像方法检查纳米颗粒时，他们看到的情况与目前对成核过程的解释不同。
“晶体并不像经典成核理论预测的那样均匀，且与周围无序原子有清晰边界，”通讯作者、UCLA学院物理与天文学教授兼UCLA加州纳米系统研究所成员Jianwei “John” Miao说。“相反，我们看到了一个梯度。每个核都有一个结晶度最高的核心，然后从核心到边界变得越来越无序。”
研究人员引入了一个更复杂的方程，他们称之为梯度成核路径模型。它根据他们严谨实验的结果概括了经典成核理论。
“经典理论似乎实际上是一个特例，”Miao说。“如果你将该特例代入我们的方程，那么你会得到与经典成核理论完全相同的结果。但在实验中，我们从未观察到清晰边界。相反，我们观察到了原子尺度上的这种梯度。”
这些发现代表了我们对自然界基本过程的新理解。由于成核存在于许多不同的系统中——从云中液滴的形成到工业制造——这项研究可以为具有广泛社会影响的进一步发现和新技术提供信息。
暂停晶体形成以寻求新见解
纳米颗粒由高熵和中熵合金制成，这些合金是金属元素大致等比例的混合物。相比之下，更熟悉的合金如钢则由一种主要元素主导。
研究人员加热纳米颗粒，然后将其超冷，在百分之一秒内从超过3000华氏度降至室温。这个过程导致晶核形成，但将其固定在发育的不同阶段。
“数据采集过程比成核所需的时间长得多，”Miao说。“在晶体形成时捕捉它们使我们能够在不同阶段研究成核。”
使用一种称为原子电子层析成像的3D成像技术，团队逐个原子地绘制了每个纳米颗粒的结构。他们进行了先进的统计分析，以量化纳米颗粒各个部分的原子有序或无序程度。总的来说，该研究检查了一个包含超过8,000个核的强大数据集，大小从不到10个原子到超过1,000个不等。
关于相变基础的新视角
除了从核核心的有序性较高到表面较低的有序性梯度外，结果还显示，随着核变大，其核心的结构有序性增强。
这些发现为核形成所需的能量提供了新的视角。在经典成核理论中，所需的最小量——称为能垒——与该理论对均匀核的概念一样清晰地划定。研究人员广泛实验数据中详述的复杂性导致了涉及多个步骤的更滑动的尺度。
“能垒就像一堵必须爬过的墙，在经典成核理论中，只有一小部分具有足够能量的核能越过那堵墙，”Miao说。“然而，我们的结果表明，大自然采用了更有效的策略，就像使用梯子通过多个中间状态爬过墙一样。我们的梯度成核路径模型捕捉了这一过程，并解释了核如何更有效地克服能垒。”
要使完整的相变发生，核需要合并。研究人员观察到一个关于该过程的奇特现象：即使相距很小，大多数晶体的生长方向完全相同，这使得它们更容易合并。
“我觉得许多核在合并之前几乎已经对齐，这太神奇了，”Miao说。“这可能反映了一条较低能量的路径，但它也表明，关于自然如何组织物质，总有更多需要了解的东西。”
对科学、工程和社会的潜在影响
研究中使用的那些高熵和中熵合金大约在20年前首次被引入。它们的无序结构提供了特殊的性能，使得这些合金可以制成独特坚固且柔韧的材料，以及更高效、更耐用的催化剂来驱动化学反应。
“这些是重要的材料，理解成核可以帮助我们找到更好的设计它们的方法，”Miao说。“同时，我们的模型可以广泛应用于所有成核系统。”
成核的普遍性意味着这项研究可以促进从物理科学到气候建模的科学领域，以及从食品和药品到半导体和电子等行业的创新。用先进成像研究成核的新技术也可能导致对该过程理解的进一步进展。
对Miao来说，仅仅是增加人类知识的存量就带来了巨大的满足感。
“我们相信这项工作将改变研究人员对成核的看法，”他说。“我希望教科书最终会被修订以反映这种新的理解。”
研究作者和资助
该研究的作者包括前UCLA博士后研究员及前UCLA研究生和本科生Yakun Yuan、Saman Moniri、Yao Yang、Jihan Zhou、Andrew Yuan、Dennis Kim和Yongsoo Yang；布法罗大学的Chenyang Li和Wei Chen；爱荷华州立大学的Kun Luo和Qi An；以及劳伦斯伯克利国家实验室的Peter Ercius。
该研究主要由美国能源部科学办公室基础能源科学项目材料科学与工程部支持。