從物質(zhì)的一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的日常轉(zhuǎn)變（例如凍結(jié)、融化或蒸發(fā)）始于一個稱為“成核”的過程，在這個過程中，微小的原子或分子簇(稱為“核”)開始合并。

成核在各種環(huán)境中起著至關(guān)重要的作用，如云的形成和神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生。一個由加州大學(xué)洛杉磯分校領(lǐng)導(dǎo)的研究小組獲得了一個前所未見，關(guān)于核的觀點——捕捉原子在四維時空（4-D）原子分辨率下(即在三維空間和時間上)如何重新排列。

發(fā)表在《自然》(Nature)上的這一發(fā)現(xiàn)，與教科書上長期出現(xiàn)基于經(jīng)典成核理論的預(yù)測不同。加州大學(xué)洛杉磯分校物理學(xué)和天文學(xué)教授、頻閃儀國家科學(xué)基金會科學(xué)技術(shù)中心副主任約翰·繆說：這確實是一個開創(chuàng)性的實驗——不僅能夠高精度地定位和識別單個原子，而且還首次在四維時空中監(jiān)測它們的運(yùn)動。該團(tuán)隊的研究，包括來自勞倫斯伯克利國家實驗室、科羅拉多大學(xué)博爾德分校、布法羅大學(xué)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)雷諾分校的合作者，建立在先前研究小組開發(fā)的強(qiáng)大成像技術(shù)的基礎(chǔ)上。

這種方法被稱為“原子電子斷層掃描”，使用位于伯克利實驗室分子鑄造廠的最先進(jìn)的電子顯微鏡，用電子成像樣品。樣品被旋轉(zhuǎn)，就像CAT掃描產(chǎn)生人體的三維x射線一樣，原子電子斷層掃描產(chǎn)生令人驚嘆的材料中原子三維圖像。研究了一種鐵鉑合金，這種合金可以形成納米粒子，這種納米粒子非常小，需要超過10000個納米粒子并排放置，才能跨越人類頭發(fā)的寬度。為了研究成核過程，科學(xué)家們將納米顆粒加熱到520攝氏度。并分別在9分鐘、16分鐘和26分鐘后拍照，在那個溫度下，合金在兩種不同的固相之間發(fā)生轉(zhuǎn)變。

盡管合金在這兩種狀態(tài)下肉眼看起來是一樣的，但近距離觀察表明，三維原子排列是不同的。加熱后，結(jié)構(gòu)由雜亂的化學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦行虻慕Y(jié)構(gòu)，鐵和鉑原子層交替出現(xiàn)。合金變化可以與解決魔方相比較——混合相的所有顏色隨機(jī)混合，而有序相的所有顏色對齊，研究小組在一個納米顆粒內(nèi)追蹤了同樣的33個核——有些小到13個原子。人們認(rèn)為大海撈針很困難，在超過一萬億個原子中，在三個不同的時間里找到同一個原子有多難？

結(jié)果令人驚訝，因為它們與經(jīng)典的成核理論相矛盾。那個理論認(rèn)為原子核是完全圓的。相比之下，在這項研究中，原子核形成了不規(guī)則的形狀。該理論還表明原子核有一個尖銳的邊界。相反，研究人員觀察到，每個原子核都包含一個核心原子，這些原子已經(jīng)變成了新的有序相，但這種排列變得越來越雜亂，越來越靠近原子核的表面。經(jīng)典成核理論還指出，一旦原子核達(dá)到特定的尺寸，它只會從那里變得更大。

但這個過程似乎要復(fù)雜得多：除了生長，研究中的細(xì)胞核還縮小、分裂和合并，一些完全溶解。在許多領(lǐng)域，成核基本上都是一個未解決的問題，一旦你能想象一些東西，就能開始思考如何控制它。這些發(fā)現(xiàn)提供了直接的證據(jù)，證明經(jīng)典成核理論不能準(zhǔn)確地描述原子水平上的現(xiàn)象。有關(guān)成核的發(fā)現(xiàn)可能會影響物理、化學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)等廣泛領(lǐng)域的研究。通過捕捉原子隨時間的運(yùn)動，這項研究為研究廣泛的材料、化學(xué)和生物現(xiàn)象開辟了新的途徑，這是一革命性的研究成果！

博科園｜研究/來自：加州大學(xué)洛杉磯分校

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1317-x

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