如果對一種固態(tài)物質(zhì)進(jìn)行足夠的加熱，熱能會導(dǎo)致該物質(zhì)材料的分子開始分裂，形成液體。從有序的固體到無序液體相轉(zhuǎn)變的最熟悉例子之一是冰變成水。

雖然熔/融化是物質(zhì)的一個基本過程，但由于缺乏足夠時間分辨率的研究能力，科學(xué)家們還沒有完全能夠在微觀層面上理解它是如何發(fā)生的。然而，近十年來X射線自由電子激光器(XFELs)的出現(xiàn)，使得研究熔化機(jī)理以及其他超快原子尺度動力學(xué)成為可能。

這些儀器使用（非束縛）自由電子在X射線能區(qū)產(chǎn)生飛秒光脈沖（飛秒為萬億分之一秒）。與X射線同步加速器相比，X射線自由電子激光器具有持續(xù)時間短得多、強(qiáng)度高得多的X射線脈沖。

現(xiàn)在，一個由國際科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊，已經(jīng)使用韓國浦項加速器實(shí)驗(yàn)室XFEL(PAL-XFEL)來監(jiān)測納米厚的金膜熔化情況，這些金膜由許多取向不同的非常微小晶體組成。研究使用超短X射線脈沖(“探針”)來監(jiān)測這些多晶金薄膜在飛秒激光(“泵浦”)激發(fā)后的結(jié)構(gòu)變化，從而誘導(dǎo)熔化。

當(dāng)X射線脈沖擊中黃金時，X射線光束會以一種具有材料晶體結(jié)構(gòu)特征的圖案進(jìn)行衍射，通過收集皮秒尺度上不同泵浦-探測時間延遲的X射線衍射圖像，研究人員能夠在金薄膜熔化開始和進(jìn)行時拍攝“快照”。衍射花樣隨時間的變化揭示了晶體無序的動力學(xué)?？茖W(xué)家們之所以選擇黃金進(jìn)行這項研究，是因?yàn)樗鼘射線的衍射非常強(qiáng)，并且有一個明確的固體到液體的轉(zhuǎn)變相，X-射線衍射圖表明熔融是不均勻(不均勻)的。

在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的研究中，科學(xué)家們提出，這種熔化很可能起源于不同取向的晶體相遇的界面（稱為晶界的缺陷），然后傳播到較小的結(jié)晶區(qū)（晶粒），換句話說，晶界在晶體其余部分開始融化之前就開始融化了。

美國能源部布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室(DOE)凝聚態(tài)物質(zhì)物理和材料科學(xué)部(CMPMS)X射線散射小組負(fù)責(zé)人、該研究的共同作者伊恩·羅賓遜(Ian Robinson)說：科學(xué)家們認(rèn)為，多晶材料的熔化優(yōu)先發(fā)生在表面和界面上，但在XFEL之前，熔化進(jìn)程隨時間的變化尚不清楚。

眾所周知，激光產(chǎn)生“熱”（高能）電子，當(dāng)它們將能量傳遞到晶體時會導(dǎo)致熔化。這種能量傳遞過程優(yōu)先發(fā)生在晶界，因此不均勻的觀點(diǎn)直到現(xiàn)在才被提出。羅賓遜團(tuán)隊的博士后、第一作者Tadesse Assefa說：

激光誘導(dǎo)熔化的機(jī)理對于航空航天、汽車和其他工業(yè)中使用的精密部件的微機(jī)械加工非常重要。激光與材料耦合的方式，隨激光脈沖持續(xù)時間的不同而不同。例如，飛秒激光的超短脈沖，似乎比納秒激光的長脈沖更適合于進(jìn)行干凈的切割，如鉆孔。

在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們首先在布魯克海文功能納米材料中心(CFN)制造了不同厚度（50、100和300納米）的薄膜。在CFN納米制造設(shè)備中，進(jìn)行了電子束蒸發(fā)，這是一種使用電子將所需材料凝聚到襯底上的沉積技術(shù)。

該設(shè)施的超清潔環(huán)境使研究人員能夠在大樣本區(qū)域內(nèi)制作厚度均勻的金膜。PAL-XFEL在一定的激光功率范圍內(nèi)，對這些薄膜進(jìn)行了時間分辨X射線衍射。布魯克海文實(shí)驗(yàn)室計算科學(xué)計劃工作人員開發(fā)的軟件對探測器收集衍射圖案圖像時產(chǎn)生的TB級數(shù)據(jù)進(jìn)行了高通量分析。

然后，研究小組使用哥倫比亞工程公司的科學(xué)家開發(fā)的軟件將這些圖像轉(zhuǎn)換成線性圖形。曲線圖顯示出一個雙峰，對應(yīng)于一個正在熔化的“熱”區(qū)域(中間峰)和一個相對“冷”的區(qū)域(晶體的其余部分)，它還沒有接收到熔化的熱能，通過電子耦合，熱進(jìn)入晶界，然后傳導(dǎo)到晶粒。這種對熱能的吸收，導(dǎo)致一條熔化物質(zhì)帶夾在兩個移動的熔體前沿之間。隨著時間的推移，這個波段會變得更大。

一個熔融前沿位于固體和融化區(qū)域之間，另一個位于熔融和液體區(qū)域之間。下一步，研究小組計劃通過減小晶粒的尺寸（從而增加晶粒邊界的數(shù)量）來確認(rèn)雙面模型，這樣它們就可以達(dá)到熔化過程的終點(diǎn)。

因?yàn)槿刍且韵鄬^慢的速度（每秒30米）穿過晶體顆粒而發(fā)生的，所以穿越大顆粒所需的時間比儀器計時范圍（500皮秒）要長。同時研究人員還想看看其他金屬、合金（幾種金屬的混合物或一種金屬與其他元素的混合物），以及與催化相關(guān)的材料，在這些材料中，晶界參與了化學(xué)反應(yīng)。

博科園｜研究/來自：布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aax2445

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