壓縮晶體

A. 動態壓縮為理解和預測晶體生長提供了新視角

晶體生長是基礎科學和廣泛應用的關鍵問題，生長形態和速度一般由晶體-液體界面的宏觀熱力學驅動力和微觀動力學過程相互作用決定。雖然晶體生長在接近平衡的生長條件下得到了很好的理解，但是在非平衡的生長條件下(例如動態壓縮)，人們對具有不同生長形態的生長轉變知之甚少。在發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上的一項研究中，利用先進的動態金剛石砧細胞(dDAC)技術。

為動態壓縮下的晶體生長提供了一個新視角，該技術架起了靜態和動態壓力條件下晶體生長的未知行為之間的橋梁。這項工作由韓國標准與科學研究院(KRISS)、韓國 科技 大學(UST)和日本國家先進工業科學技術研究院(AIST)的一個合作研究小組進行。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的物理學家Yong-Jae Kim是這項研究的聯合首席作者之一，他是克里斯的博士後研究員。

（博科園-圖示）該示意圖採用先進的動態金剛石砧單元，通過動態壓縮的方式描述了冰生長的過渡過程，增強了界面結構，引導水-冰界面的快速界面動力學，在接近平衡熔融壓力的情況下，啟動二維激波生長。圖片：Yong-Jae Kim and James Wickboldt/LLNL

研究在更好地理解和預測真實世界中的晶體生長方面邁出了一步。從不同的雪花到極端條件下的行星內部，研究小組利用先進的dDAC控制局部生長條件，揭示了壓力誘導單晶激波生長的起源，單晶的尺寸減小。快速壓縮增強了水-冰界面的局部結構，促進了界面動力學的快速發展，從而促進了二維(2-D)的激波生長啟動，甚至接近平衡熔融壓力。利用先進的dDAC，研究小組同時測量了晶體生長過程中的形態演變。

微觀結構(用拉曼光譜或x射線衍射)和周圍生長條件(如壓力和細胞體積)。還進行了分子動力學模擬，以更精細地了解水冰界面的物理情況。一般來說，快速晶體生長是由於晶體角在較大的驅動力作用下快速生長，最終形成樹枝狀形貌。與一般預期相反，盡管整個系統的測量壓力幾乎接近冰融化壓力(即較小的驅動力)，但快速壓縮從初始三維晶體的邊緣開始，而不是從角開始。

以至少一個階的速度開始二維激波增長，這意味著快速的壓縮會導致晶體邊緣產生巨大的超壓。如此大的有效驅動力導致沿激波生長面形成與塊狀晶體相似的界面結構，最終促進了快速界面動力學導致二維激波生長。展望未來，Kim計劃通過使用激光碟機動的激波壓縮來擴展這項研究， 探索 晶體生長和在更快的時間尺度上的相變動力學，並應用於更好地理解天王星和海王星等冰行星的內部結構和演化