最新《Nature Materials》：在超低溫，也能實現晶體快速生長！

長期以來，人們認為快速深淬火所帶來的緩慢的液體擴散和幾何阻力，抑制了快速結晶，促進了玻璃化。在此，來自北京大學的徐莉梅&日本東京大學的Hajime Tanaka&復旦大學的譚鵬等研究者，報告了在深層過冷下帶電膠體系統的快速晶體長大行為，其中液體擴散率極低。相關論文以題為“Fast crystal growth at ultra-low temperatures”發表在Nature Materials上。

論文鏈接：

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

從深過冷液體中快速生長晶體，是凝聚態物理和材料科學中一個非常重要的動態過程。在許多工業應用中，防止玻璃化、提高形成的晶體質量或防止玻璃結晶是至關重要的。經典的結晶理論告訴我們，晶體生長速率由K(T)(1-exp(Δμ/kBT))給出，其中K(T)是表示原子加入晶體的速率的動力學因子，T是溫度，kB是波爾茲曼常數，(1-exp(Δμ/kBT))表示熱力學因子，其中Δμ=μliq-μcry為液晶之間的化學電位差。在深度過冷的液體中，熱力學因子接近于1，而動力學因子K(T)關鍵，取決于有序動力學，這一直是一個值得深入研究的問題。

關于淺過冷液體中的微觀有序動力學，最近的研究報道了具有較大鍵取向有序(BOO)的液體結構，即“前驅體結構”，總是潤濕晶體表面。因此，一個小的調整就足以使界面轉變為晶體。此外，平面或晶壁，不僅增強了類晶態BOO，而且還增強了液晶界面的分層(一維(1D)平動有序)，這可以看作是一種潤濕。另一方面，快速過冷阻礙結晶形成類二十面體結構。最近的一項模擬工作顯示，當幾何阻力效應可以忽略時晶體快速生長，是由于界面顆粒的無阻擋有序性，并由常數K(T)表征。膠體實驗通過“無能壘跳躍”(barrier-free jump)，進一步觀察了晶體的生長，這種“無能壘跳躍”對應于粒子的隨機游動，轉化為原子系統中的碰撞受限生長。

冷卻時，液體擴散的急劇減緩，似乎表明在深度過冷時無能壘有序，可能是快速晶體生長的機制。然而，這一假設仍有待實驗驗證。此外，快速、深過冷傾向于給固相帶來更多的無序。因此，晶體生長過程如何消除無序并決定晶體質量是另一個關鍵問題。

在此，研究者將膠體實驗與單粒子分辨率和數值模擬相結合，表明快速晶體生長是通過界面上的無阻擋集體運動進行的，而沒有涉及籠外擴散。通過實驗和模擬相結合，研究者發現這一過程，是通過壁致無阻擋有序進行的，其由兩個耦合步驟組成：粗糙界面的階梯狀前進瓦解了阻挫，然后在新形成的固相內部進行缺陷修復。前者是一個無擴散的集體過程，而后者控制晶體質量。研究者進一步分析表明，由于晶體生長前沿的無序玻璃態的內在力學不穩定性，即使在超低溫下，也可以實現多米諾骨牌式的快速晶體生長。