劳伦斯·伯克利国家实验室 信用:CC0公共领域 当我们生长晶体时，原子首先聚集成小簇——这个过程叫做成核
但是科学家们长期以来一直未能准确理解这种原子有序是如何从随机运动的原子的混沌中出现的
经典成核理论表明，晶体一次形成一个原子，稳定地增加有序度
现代研究还观察到一个两步成核过程，首先形成一个暂时的高能结构，然后变成稳定的晶体
但是根据美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)联合领导的一个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聚集在一起或进行一次不可逆的转变，而是会自我组织、分裂、重组，然后在建立稳定有序的晶体之前重组多次
使用先进的电子显微镜，研究人员第一次见证了这种快速、可逆的成核过程
他们的工作为许多生长过程的早期阶段，如薄膜沉积和纳米粒子形成，提供了切实的见解
“当科学家寻求在更小的长度尺度上控制物质以生产新材料和设备时，这项研究帮助我们准确理解一些晶体是如何形成的，”该研究的主要作者之一、伯克利实验室分子铸造厂的员工科学家彼得·埃丘斯说
根据科学家的传统理解，一旦研究中的晶体达到一定尺寸，它们就不再回到无序、不稳定的状态
指导这个项目的教授之一李元哲这样描述它:如果我们把每个原子想象成一个乐高积木，然后不是一次一个积木地建造一个房子，而是这些积木重复地组合在一起，然后再次分开，直到它们最终足够坚固，可以呆在一起
然而，一旦基础被建立，在不破坏整体结构的情况下，可以添加更多的砖块
伯克利实验室的科学家和合作者利用世界上最好的显微镜之一——分子铸造厂的第一团队电子显微镜——来观察单个金原子是如何在石墨烯上组织成晶体的
研究小组观察到金原子团多次形成和分裂，尝试不同的构型，最后稳定下来
学分:伯克利实验室 不稳定的结构只有在团队一号上新开发的探测器的速度下才可见，团队一号是世界上最强大的电子显微镜之一
一组内部专家在伯克利实验室分子铸造中心的国家电子显微镜中心指导实验
使用TEAM I显微镜，研究人员以每秒625帧的速度捕获实时原子分辨率图像，这对于电子显微镜来说是异常快的，比以前的研究快大约100倍
研究人员观察了单个金原子形成晶体，分裂成单个原子，然后一次又一次地重新形成不同的晶体结构，最后稳定下来
“较慢的观察会错过这个非常快速、可逆的过程，只看到一个模糊而不是转变，这解释了为什么这种成核行为以前从未见过，”埃丘斯说
这种可逆现象背后的原因是晶体形成是一个放热过程——也就是说，它释放能量
事实上，当原子附着在微小的原子核上时释放的能量可以提高局部的“温度”并熔化晶体
通过这种方式，最初的晶体形成过程对自身不利，在建立一个足够稳定以承受热量的原子核之前，在有序和无序之间波动多次
研究小组通过对一个假设的金原子和一个纳米晶体之间的结合反应进行计算，验证了他们对实验观察的这种解释
现在，科学家们正在开发更快的探测器，可以用来以更高的速度成像
这可以帮助他们理解在原子混沌中是否隐藏着更多的成核特征
该团队还希望发现不同原子系统中类似的跃迁，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，荣原公园总结了这项工作:“从科学的角度来看，我们发现了晶体成核过程的新原理，并通过实验证明了这一点
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