胶体体系结晶过程的实验研究

Crystallization is a fundamental process in nature and industries. It is widely employed in developing crystalline materials. As the physical and chemical properties of crystals are closely determined by their crystalline structures, it is of broad interests in controlling the structure of crystals. Nucleation, the first stage of crystallization, creates the initial crystal embryos and thus plays a critical role in determining the structure of crystals. There are plenty of studies showing that there are more than one pathways for nucleation to proceed, namely one-step nucleation and multi-step nucleation. One-step nucleation is well described by the classical nucleation theory. But for multi-step nucleation, a quantitative model is missing. In this project, we will explore the general mechanism underlying the one-step and multi-step nucleation. We aim to establish a general quantitative model which can be applied to one-step as well as to multi-step nucleation processes. With this model, we can predict and control the route of nucleation. To do that, experimental studies will be conducted in a colloidal model system. Molecular dynamical simulation will be employed to verify and extend the results of experimental studies. In the second part of this project, crystal defects, especially dislocations, will be studied. Phenomena, including diffusion, interplaying, coalescence , are going to be addressed.

结晶是自然界和工业生产中一个重要的物理过程，是制备晶(固)体材料的主要技术手段。晶体质量和结构很大程度上决定了晶体的物理、化学和光电等特性。因此提高晶体质量和控制晶体结构是工业和材料科学中的一个核心问题。成核是结晶的第一阶段。最初的晶核由成核形成，随后生长为晶体。因此控制成核，对控制晶体结构非常关键。成核可通过多种路径形成稳定晶核。常见路径分为一步成核和多步成核。一步成核可用经典成核理论很好描述。但多步成核，目前还没有定量模型可用。成核路径的选择机制目前并不清楚。本项目实验上以胶体体系为研究对象, 结合分子动力学模拟，系统研究不同成核路径的特点及其发生的条件；探索成核过程的基本规律，揭示成核路径选择的物理机制；建立一个物理模型，用于预测和控制成核路径。作为本项目的第二部分，我们将在单粒子层次上研究晶体缺陷的形成、扩散、相互作用，聚集融合等现象，探索有效控制和减少晶体缺陷的实验手段。

本项目以二维胶体实验体系为研究对象，通过单粒子层次的实验观测了解结晶过程中的基本物理机制。研究课题包括成核动力学，缺陷动力学和多分散体系的结晶过程。越来越多的实验证据表明，晶核的初始结构与晶体的稳定结构并不一样：晶核在形成和生长过程中会经历一个或多个亚稳结构。但有关亚稳态的选择机制并没有统一的理论框架。我们的研究结果发现，成核的具体动力学过程及亚稳结构的选择和过冷度相关：晶核的稳定结构是熵效应和结合能之间竞争的结果。在低过冷度，热能和晶核内的平均结合能相当时，熵效应会选择位型熵更大的空间结构以减小晶核整体的自由能。同时由于晶核表面和内部成键数目的差异，导致晶核的表面结构和内部结构存在差异。在高过冷度时，结合能增加，熵效应减弱，晶核会选择结合能最大的空间结构。此时的成核过程和经典成核理论的描述是一致的。位错是晶体中最常见的缺陷。通过原位的实时观测，我们发现位错在相互作用过程中除了常见的湮灭外，还存在融合，Burgers矢量交换和横向迁移等多种过程。这些过程都可以直接或间接促进缺陷的修复。在所有过程中，Burgers矢量总和保持守恒。同时位错的融合过程受晶格空间对称性的约束。这些发现对理解晶体的力学性质提供了新的理论基础。在双分散体系，由于胶体颗粒间相互作用的不均匀性，导致在同样的物理条件下，不同种类的胶体颗粒感受到的过饱和度或相变的驱动力是不一样的。因此通过控制环境的物理参数，可以选择性地凝聚其中一种或多种。在这种相变机制中，相分离总是伴随着组分分离。这一发现对理解细胞中的各种功能结构的形成和分解提供了物理基础。