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科学探索

过冷液体结晶的最初时刻

科学探索万象经验2024-06-10

液态物质转变为晶体,这一过程称为结晶,在自然界中普遍存在,是许多技术应用的基础。然而,当我们将液体冷却至低于其熔点时,会出现一个过冷的现象。在这个过冷状态下,液体会保持在一个亚稳态,而不情愿凝固。理解这种不情愿是如何被克服的,特别是晶体核如何在过冷液体中形成,是晶体成核研究的领域。

晶体成核是结晶过程中关键的初始步骤,它涉及到在晶格结构中排列的小而稳定的原子簇的形成。这个簇称为晶核,充当进一步晶体生长的种子。然而,这个晶核的形成并非易事。

晶体成核有两种主要机制:均相成核和非均相成核。均相成核发生在过冷液体内部,完全依靠热涨落。想象一下,液体中的原子随机碰撞,偶然形成一个恰好处于晶体结构中的微小簇。然而,由于暴露在周围液体中的大表面积,这些簇本身就不稳定,会由于热能不断形成和分解。

非均相成核为晶体形成提供了一种替代途径。在这里,杂质或容器壁会引入有利于形成晶核的表面。这些表面可以为晶体生长提供模板,降低界面能损失。在许多现实情况中,这种非均相的存在可以显著提高成核率,使其成为主要的机制。
(www.ws46.cOm)

经典成核理论提供了一个理解均相成核的框架。它预测了只有超过临界尺寸的簇,称为临界核,才能稳定并生长成宏观晶体。临界核尺寸取决于两种相反因素的竞争:一方面,晶格中原子排列最小化了系统的内部能量;另一方面,创建晶体和液体之间的新表面会产生界面能损失。临界核代表了这些能量贡献之间的一种微妙平衡,其中系统的总自由能被最大化。

形成这样一个临界晶核是一个罕见的事件,需要大量的能量波动。该理论成功地解释了一些简单原子液体中的晶体成核率,但最近的发表在《物理评论快报》的一项研究表明情况更为复杂。

分子动力学模拟揭示了在熔点附近的液相中存在“预排序”现象。这些预排序区域,具有晶体般秩序的涨落,可以作为成核的前体。这挑战了完全无序液体的经典观点,并需要对经典成核理论进行修正以解释这些预先存在的结构特征。

由于涉及极短的时间尺度和长度尺度,对过冷原子液体中的晶体成核进行实验研究具有重大挑战。超快X射线衍射技术的突破提供了对成核动力学的无与伦比的洞察。通过在飞秒时间尺度上探测液体结构,研究人员可以直接观察短序和新生晶体核的形成和演化。

最近的研究瞄准过冷稀有气体液体(如氩气和氪气)中的晶体成核动力学。这些研究表明,稳定晶核的形成比以前假设的要晚得多。这挑战了我们对成核初期的理解,需要进一步研究热涨落与液体中预排序之间的相互作用。

揭开过冷原子液体中晶体成核的奥秘具有重要的科学和技术意义。理解这一过程可以更好地控制结晶,从而开发出具有所需性能的材料。例如,操纵成核率在食品加工、药物生产和先进材料制造等领域至关重要。此外,对成核的更深入理解可以增强我们对相变的一般了解,其应用范围从天体物理学到材料科学。