科学家捕捉晶体形成全过程 百年经典理论或需重新审视

美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）领衔的研究团队近日公布了一项关于晶体形成的新研究。科学家首次通过三维原子成像技术，逐个原子观察晶体成核过程，发现晶体内部的有序结构与周围无序物质之间，并不存在经典理论所描述的清晰边界。这一发现可能改变人们对物质相变过程中晶体如何形成的基本认识。

近一个世纪以来，科学家一直依靠经典成核理论解释液体冻结、气体凝结等相变过程。该理论认为，物质内部会先形成一些微小的有序区域，也就是晶核，随后这些晶核不断长大，最终形成完整的晶体。支撑这一理论的核心方程已经得到数千项实验的支持。

然而，当研究人员以原子为单位，在三维空间中观察晶体形成时，晶核的实际结构却与经典模型的预测有所不同。研究团队使用由多种金属元素组成的复杂合金纳米颗粒，并开发出一种能够将晶核冻结在不同形成阶段的方法，从而得以观察这一通常发生得极快的过程。

研究人员发现，从有序晶体向周围无序物质的过渡是逐渐发生的，而不是突然出现一道清晰的分界线。UCLA物理学与天文学教授、加州纳米系统研究所成员、论文通讯作者Jianwei“John”Miao表示，晶核并非像经典成核理论所描述的那样，具有均匀的内部结构和明确的边界。相反，每个晶核的中心区域结晶度最高，越接近边界，原子排列就越趋于无序，形成一个连续的梯度。

为了解释这一现象，研究团队提出了更为复杂的“梯度成核路径模型”。这一新模型并没有推翻经典成核理论，而是对其进行了扩展。Miao表示，经典理论实际上可以被视为新模型的一种特殊情况：如果将这种特殊情况代入新方程，就能得到与经典成核理论完全相同的结果。但在实际实验中，研究人员从未观察到清晰的原子尺度边界，而是反复看到了这种渐变结构。

成核过程广泛存在于云滴形成、工业制造等自然和工程系统中，因此，重新理解这一过程可能影响多个研究领域，并为新技术的发展提供参考。

为了捕捉晶体形成的不同阶段，研究人员首先将纳米颗粒加热至超过3000华氏度（约1649摄氏度），随后在几百分之一秒内将其快速冷却至室温。快速降温启动了晶体形成过程，同时使不同纳米颗粒中的晶核停留在各自不同的发展阶段。

Miao解释说，数据采集所需的时间远远长于成核过程本身，因此，研究人员必须先将晶体形成过程“冻结”，才能研究不同阶段的成核现象。

随后，研究团队利用原子电子断层扫描技术，对每个纳米颗粒进行逐个原子的三维重建，并通过先进的统计分析，量化不同区域的有序程度。整个数据集包含超过8000个晶核，大小从不足10个原子到超过1000个原子不等。

研究人员在这些晶核中反复观察到相同的规律：原子有序程度在中心区域最高，向表面逐渐降低。随着晶核不断长大，其中心区域的有序程度也会进一步提高。

这些梯度结构还改变了研究人员对晶核形成所需能量的理解。经典成核理论认为，晶核必须克服一个明确的最低能量要求，也就是所谓的能垒。只有少数拥有足够能量的晶核，才能跨越这道“墙”。

但实验结果显示，成核过程可能并不是一次性跨越能垒，而是通过多个中间阶段逐步完成。Miao将其比作爬墙：经典理论认为，晶核必须直接翻过一堵墙，而研究结果表明，大自然可能采用了更有效的方式，通过一架梯子逐级攀登，借助多个中间状态克服能垒。研究团队认为，新的梯度成核路径模型能够描述这一过程，并解释晶核为何可以更高效地形成。

完整的相变过程还需要不同晶核彼此结合。研究团队在这一环节也发现了意外现象：许多彼此接近的晶核，在尚未合并之前，就已经具有几乎完全相同的取向，这使它们最终结合起来更加容易。

Miao表示，许多晶核在合并前就已经接近对齐，这一现象令人惊讶。它可能反映出一种能量更低的形成路径，同时也说明，自然界组织物质的方式仍然有许多值得探索之处。

此次实验使用的高熵合金和中熵合金，大约在20年前才开始出现。这类材料由多种金属元素以大致相等的比例混合而成，与钢等由单一主要元素占据主导地位的传统合金不同。它们高度混合的原子结构，能够产生强度与柔韧性等不同寻常的性能组合，还有望用于制造效率更高、耐久性更强的化学反应催化剂。

Miao表示，理解这些材料的成核过程，有助于研究人员更好地设计和开发它们。同时，研究团队认为，这一模型也可以广泛应用于其他成核系统。

由于成核现象广泛存在于自然界和工程系统中，这项研究可能影响物理科学、气候建模、食品、制药、半导体和电子等多个领域。此次采用的原子成像方法，也可能为研究人员提供一种新的工具，用于探索成核过程究竟是如何展开的。

对于Miao而言，这项研究更重要的意义在于，它可能促使科学界重新思考物质在相变过程中如何组织自身。他表示，研究团队相信，这项工作将改变研究人员对成核现象的认识，并希望未来的教科书最终能够反映这一新的理解。

这项研究题为《通过原子电子断层扫描揭示高熵合金中的晶体成核与生长》，于2026年8月25日发表在《自然·材料》期刊上，研究主要由美国能源部科学办公室基础能源科学项目材料科学与工程部门提供支持。