谭鹏课题组发现低温下晶体快速生长的微观机制

作者:摄影: 视频: 来源:物理学系发布时间:2021-06-16

物理学系谭鹏教授课题组通过实验与模拟相结合,发现了超低温下胶体带电系统通过板诱导的无能垒、非扩散模式结晶,进一步展示了由于界面诱导的玻璃态力学不稳定性,实现了超低温下晶体的快速生长。相关研究成果近日以《超低温下晶体快速生长》 (“Fast crystal growth at ultra-low temperatures”)为题在线发表于《自然材料》(Nature Materials)。

该研究有助于对晶体快速生长有更深的理解,可以预测哪种类型材料可以在超低温下结晶,并且为人们如何稳定玻璃态(避免玻璃化)提供了重要的信息。这些信息对于相关工业应用有一定的指导意义。

液体被快速冷却至低温,通常会产生大量结构缺陷,而低温液体的扩散速率较低,使其难以克服结构缺陷形成晶体。快速冷却能够促进带电胶体粒子体系玻璃化,但不利于晶化。当液体高过冷时(低至0.1Tm),系统的扩散系数降低、几何阻错增加,这些特性会促进系统玻璃化,阻碍快速结晶。但是,近年来很多的实验发现即使是在高过冷的情况下体系依旧可以结晶。其背后的微观动力学机制目前还不是很清楚。

谭鹏课题组发现,超低温下系统结晶的微观动力学机制是无扩散模式。对温度不敏感的粒子变有序的时间、粒子从无序变有序的时间内移动的距离小于晶格常数,如图(a),(b)所示,说明了无能垒的结晶模式。粒子的频繁碰撞导致粒子的协同运动,如图(c)所示。结晶过程中的粒子协同运动以及无能垒的特征表明了无扩散的结晶模式。

他们进一步说明了在超低温下晶体依旧可以快速生长的机制是界面诱导的玻璃态力学不稳定性。低温时,界面处粒子在xy平面的均方位移会有一个显著的增强效应,也说明了这种机制适用于长程-软作用体系。

该项研究与北京大学徐丽梅教授课题组合作完成。物理学系博士生高琼和北京大学博士生艾靖东共同担任该论文的第一作者,谭鹏教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、上海市科委、复旦大学等支持。

论文链接:

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


制图:实习编辑:责任编辑:

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