基础科学研究所 金水晶照片
学分:保罗·斯特拉霍夫/保罗实验室 大多数材料转化为有序晶体结构始于成核过程
一个日常的例子是在晶种成核后过冷水的快速结晶
这一现象困扰着科学家和普通人
原子聚集并形成最小晶体的成核过程是一个重要的科学现象，自19世纪后期以来，人们对其进行了广泛的研究
经典成核理论认为单体组装成晶体结构是单向进行的
另一方面，有人提出，在某些系统中可能会出现涉及亚稳态中间晶体结构的非经典结晶过程
然而，通过直接观察来证实这些理论是极其困难的，因为成核发生得非常快，而且原子核的大小可以小到几个原子
汉阳大学埃里卡校区机械工程教授李元哲领导的国际联合研究小组终于解开了这个百年之谜
联合研究小组成功地观察到了纳米晶体成核的初始状态
科学家们成功地拍摄了金原子聚集形成纳米晶体的过程
为了观察成核过程的初始状态，该团队通过向石墨烯薄膜顶部的氰化金纳米带发射电子束来合成金纳米晶体，这将纳米带分解成金原子
在劳伦斯·伯克利国家实验室用高性能透射电子显微镜观察了合成样品
这个过程是以原子级空间分辨率和毫秒级超高时间分辨率记录的
金纳米晶体形成的透射电镜视频
视频的时间分辨率为10毫秒，速度降低2倍(从每秒100帧到每秒50帧)
比例尺表示1纳米
在结晶过程的早期，金原子反复经历无序状态和晶态之间的可逆转变，然后随着晶体变大而变得稳定
学分:基础科学研究所 透射电镜观察表明，在出现稳定的晶体结构之前，晶格结构突然消失并重新出现
通过仔细的分析，研究小组排除了一些可能导致这种观察的因素，如纳米晶体的取向、倾斜和快速旋转
因此，观察到的结果似乎表明，构成原子核的原子在无序状态和晶态之间随机振荡
这种结构性波动似乎是以随机方式自发发生的
该团队的发现直接挑战了长期存在的成核理论以及在过去二十年中提出的更近的成核理论
此外，研究小组发现，晶体状态的稳定性随着纳米晶体尺寸的增加而增加
例如，具有2
0 nm2区域花费了大约一半的时间处于结晶状态
当晶体尺寸增加到4以上时
面积为0 nm2时，晶体似乎大部分时间以晶体形式存在
实验的示意图
用电子束辐照石墨烯薄膜顶部的AuCN纳米带
这分解了丝带产生金原子，金原子随后成核成纳米晶体
在成核过程的不同点的透射电镜视频的静止帧
c)金纳米晶体结构在无序状态和结晶状态之间转变的乐高积木模型表示
学分:基础科学研究所 团队提出的成核过程背后的新热力学理论
当结构具有相对较少的原子时，无序态和晶态之间的能垒相对较低
随着晶体尺寸的增加，能垒增加，晶态变得更加稳定
b)原子以晶态存在的时间与纳米晶体面积的比值
达到低熔点所需的能量与晶体中金原子的数量的关系
d)较小和较大纳米晶体之间的合并暂时将整个结构转换回无序状态
学分:基础科学研究所 为了描述这种现象，研究小组提出了一种新的晶体成核热力学理论
该研究提出，当团簇尺寸较小时，晶体向无序转变之间的能量势垒在成核的最早阶段趋于非常低，并且随着更多的原子被添加到结构中，该势垒增加
这可以解释由几个原子组成的新生晶体中结晶态和无序态之间的自发波动
该团队还指出，在相对较小的纳米晶体中，即使添加额外的原子也可以将足够的能量转移到系统中，从而将整个结构转换回无序状态
随着晶体的生长，能垒增加，这降低了自发回复的可能性，并稳定了较大晶体的晶体结构
经典成核理论中成核过程的乐高模型
信用:元哲 关于这些发现，教授
荣格万·帕克说:“从科学的角度来看，我们发现了晶体成核过程的新原理，并通过实验证明了这一点
" 教授
李元哲说:“从工程的角度来看，通过再现沉积过程的初始状态，它可以用来实现半导体材料、元件和设备的原始技术
" 本研究中观察到的成核过程的乐高模型
信用:元哲 这项研究发表在2021年1月29日的《科学》杂志上
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