动态压缩为理解和预测晶体生长提供了新视角

  • 2019年06月07日 03:10
  • 来源:博科园
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虽然晶体生长在接近平衡的生长条件下得到了很好的理解,但是在非平衡的生长条件下,人们对具有不同生长形态的生长转变知之甚少。

动态压缩为理解和预测晶体生长提供了新视角

晶体生长是基础科学和广泛应用的关键问题,生长形态和速度一般由晶体-液体界面的宏观热力学驱动力和微观动力学过程相互作用决定。虽然晶体生长在接近平衡的生长条件下得到了很好的理解,但是在非平衡的生长条件下(例如动态压缩),人们对具有不同生长形态的生长转变知之甚少。在发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一项研究中,利用先进的动态金刚石砧细胞(dDAC)技术。

动态压缩为理解和预测晶体生长提供了新视角

为动态压缩下的晶体生长提供了一个新视角,该技术架起了静态和动态压力条件下晶体生长的未知行为之间的桥梁。这项工作由韩国标准与科学研究院(KRISS)、韩国科技大学(UST)和日本国家先进工业科学技术研究院(AIST)的一个合作研究小组进行。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家Yong-Jae Kim是这项研究的联合首席作者之一,他是克里斯的博士后研究员。

动态压缩为理解和预测晶体生长提供了新视角

(博科园-图示)该示意图采用先进的动态金刚石砧单元,通过动态压缩的方式描述了冰生长的过渡过程,增强了界面结构,引导水-冰界面的快速界面动力学,在接近平衡熔融压力的情况下,启动二维激波生长。图片:Yong-Jae Kim and James Wickboldt/LLNL

研究在更好地理解和预测真实世界中的晶体生长方面迈出了一步。从不同的雪花到极端条件下的行星内部,研究小组利用先进的dDAC控制局部生长条件,揭示了压力诱导单晶激波生长的起源,单晶的尺寸减小。快速压缩增强了水-冰界面的局部结构,促进了界面动力学的快速发展,从而促进了二维(2-D)的激波生长启动,甚至接近平衡熔融压力。利用先进的dDAC,研究小组同时测量了晶体生长过程中的形态演变。

微观结构(用拉曼光谱或x射线衍射)和周围生长条件(如压力和细胞体积)。还进行了分子动力学模拟,以更精细地了解水冰界面的物理情况。一般来说,快速晶体生长是由于晶体角在较大的驱动力作用下快速生长,最终形成树枝状形貌。与一般预期相反,尽管整个系统的测量压力几乎接近冰融化压力(即较小的驱动力),但快速压缩从初始三维晶体的边缘开始,而不是从角开始。

以至少一个阶的速度开始二维激波增长,这意味着快速的压缩会导致晶体边缘产生巨大的超压。如此大的有效驱动力导致沿激波生长面形成与块状晶体相似的界面结构,最终促进了快速界面动力学导致二维激波生长。展望未来,Kim计划通过使用激光驱动的激波压缩来扩展这项研究,探索晶体生长和在更快的时间尺度上的相变动力学,并应用于更好地理解天王星和海王星等冰行星的内部结构和演化

博科园|研究/来自:劳伦斯利弗莫尔国家实验室

参考期刊《美国国家科学院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.1818122116

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