晶體生長(zhǎng)是基礎(chǔ)科學(xué)和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題，生長(zhǎng)形態(tài)和速度一般由晶體-液體界面的宏觀熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力和微觀動(dòng)力學(xué)過程相互作用決定。

雖然晶體生長(zhǎng)在接近平衡的生長(zhǎng)條件下得到了很好的理解，但是在非平衡的生長(zhǎng)條件下(例如動(dòng)態(tài)壓縮)，人們對(duì)具有不同生長(zhǎng)形態(tài)的生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變知之甚少。在發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)上的一項(xiàng)研究中，利用先進(jìn)的動(dòng)態(tài)金剛石砧細(xì)胞(dDAC)技術(shù)。

為動(dòng)態(tài)壓縮下的晶體生長(zhǎng)提供了一個(gè)新視角，該技術(shù)架起了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力條件下晶體生長(zhǎng)的未知行為之間的橋梁。這項(xiàng)工作由韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究院(KRISS)、韓國(guó)科技大學(xué)(UST)和日本國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院(AIST)的一個(gè)合作研究小組進(jìn)行。勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Yong-Jae Kim是這項(xiàng)研究的聯(lián)合首席作者之一，他是克里斯的博士后研究員。

研究在更好地理解和預(yù)測(cè)真實(shí)世界中的晶體生長(zhǎng)方面邁出了一步。從不同的雪花到極端條件下的行星內(nèi)部，研究小組利用先進(jìn)的dDAC控制局部生長(zhǎng)條件，揭示了壓力誘導(dǎo)單晶激波生長(zhǎng)的起源，單晶的尺寸減小?？焖賶嚎s增強(qiáng)了水-冰界面的局部結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了界面動(dòng)力學(xué)的快速發(fā)展，從而促進(jìn)了二維(2-D)的激波生長(zhǎng)啟動(dòng)，甚至接近平衡熔融壓力。利用先進(jìn)的dDAC，研究小組同時(shí)測(cè)量了晶體生長(zhǎng)過程中的形態(tài)演變。

微觀結(jié)構(gòu)(用拉曼光譜或x射線衍射)和周圍生長(zhǎng)條件(如壓力和細(xì)胞體積)。還進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬，以更精細(xì)地了解水冰界面的物理情況。一般來(lái)說，快速晶體生長(zhǎng)是由于晶體角在較大的驅(qū)動(dòng)力作用下快速生長(zhǎng)，最終形成樹枝狀形貌。與一般預(yù)期相反，盡管整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量壓力幾乎接近冰融化壓力(即較小的驅(qū)動(dòng)力)，但快速壓縮從初始三維晶體的邊緣開始，而不是從角開始。

以至少一個(gè)階的速度開始二維激波增長(zhǎng)，這意味著快速的壓縮會(huì)導(dǎo)致晶體邊緣產(chǎn)生巨大的超壓。如此大的有效驅(qū)動(dòng)力導(dǎo)致沿激波生長(zhǎng)面形成與塊狀晶體相似的界面結(jié)構(gòu)，最終促進(jìn)了快速界面動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致二維激波生長(zhǎng)。展望未來(lái)，Kim計(jì)劃通過使用激光驅(qū)動(dòng)的激波壓縮來(lái)擴(kuò)展這項(xiàng)研究，探索晶體生長(zhǎng)和在更快的時(shí)間尺度上的相變動(dòng)力學(xué)，并應(yīng)用于更好地理解天王星和海王星等冰行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化

博科園｜研究/來(lái)自：勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1818122116

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