科学家观察到晶体形成的第一毫秒内的短暂过程

当我们生长晶体时，原子首先会聚在一起形成小的簇——这个过程称为成核。但是，科学家们长期以来一直不清楚如何从随机运动的原子的混乱中产生这种原子有序。

经典的成核理论表明，晶体一次形成一个原子，稳定地增加了有序的水平。现代研究还观察到两步成核过程，首先形成一个临时的高能结构，然后变成稳定的晶体。但是，根据由能源部劳伦斯·伯克利国家实验室（Berkeley Lab）牵头的国际研究小组的说法，真实的情况更加复杂。

他们的发现最近发表在《科学》杂志上，揭示了金原子不是一个接一个地组合在一起，也不是进行单一的不可逆转的过渡，而是自我组织、分解、重组，然后多次重组，然后建立一个稳定的、有序的晶体。

研究人员使用先进的电子显微镜首次目睹了这种快速、可逆的核过程。他们的工作为许多生长过程的早期阶段提供了切实的见解，如薄膜沉积和纳米粒子形成。

伯克利实验室分子铸造研究所的首席作者之一，研究员彼得·厄尔修斯（Peter Ercius）说：“当科学家试图以较小的长度尺度控制物质以生产新的材料和装置时，这项研究有助于我们确切地了解某些晶体是如何形成的。”

与科学家的传统理解一致，一旦研究中的晶体达到一定大小，它们便不再恢复到无序、不稳定的状态。指导该项目的一位教授Won Chul Lee对此描述如下：如果我们将每个原子想象成一个乐高积木，那么与其一次只建造一个积木块块，不如建造一座房子，事实证明这些块反复地装配在一起并破碎了再次分开，直到它们终于强大到可以在一起为止。

但是，一旦设置好基础，就可以添加更多的积木块，而不会破坏整体结构。

仅由于TEAM I（世界上最强大的电子显微镜之一）上新开发的检测器的速度，才能看到不稳定的结构。内部专家团队在伯克利实验室分子铸造的国家电子显微镜中心指导了实验。使用TEAM I显微镜，研究人员以高达625帧/秒的速度捕获了实时的原子分辨率图像，这对于电子显微镜来说异常快，比以前的研究快约100倍。研究人员观察到单个金原子形成晶体，分解为单个原子，然后一次又一次地重整为不同的晶体构型，然后最终稳定下来。

厄尔休斯说：“较慢的观测会错过这个非常快、可逆的过程，而只会看到模糊而不是过渡，这解释了为什么从未见过这种成核行为的原因。”

这种可逆现象背后的原因是晶体形成是一个放热过程，即释放能量。实际上，当原子附着在微小核上时释放出的非常高的能量会升高局部“温度”并使晶体熔化。这样，初始的晶体形成过程会逆着自身进行，在建立足够稳定以承受热量的核之前，会在有序和无序之间多次波动。该研究小组通过对假设的金原子和纳米晶体之间的结合反应进行计算，从而验证了其对实验观察结果的解释。

现在，科学家正在开发甚至更快的检测器，该检测器可用于以更高的速度对过程成像。这可以帮助他们了解原子混乱中是否还隐藏着更多的形核特征。该小组还希望发现不同原子系统中的类似转变，以确定这一发现是否反映了成核的一般过程。

这项研究的主要作者之一Jungwon Park总结了这项工作：“从科学的角度来看，我们发现了晶体成核过程的新原理，并通过实验进行了证明。”

来源：网络