胶体晶体晶界微观结构及演化动力学实验研究

Grain boundary structures control the ductility, energy transport, solidification and recrystallization of polycrystalline materials. Thus, investigation of grain boundary formation and evolution process helps to establish the industry of grain boundary engineering, which relies on a fully understanding of GB structures. In Nature Physics 2014, the applicant systematically investigated the crystallization process of colloidal crystals and clarified the structure profiles of precursor structures, which are locally ordered but disordered at medium range. The precursor structures wrap the crystal nuclei during the growth stage of crystals and have significant importance on formation of grain boundaries. In colloidal systems, by using confocal and super resolution technique, the applicant plan to investigate the large-angle grain boundary and its stability, clarify its microscopic structures at the grain interface, edge and vertice; observe the formation and evolution of the grain boundary, address how different type of precursor structures and other liquid structures construct the grain boundaries at different stage; study the relationship between nucleation type(homogeneous and heterogeneous) and grain boundary evolution process, discriminate the transition pathway change of different nucleation type, reveal how it changes the morphology and structure profiles of grain boundaries.

晶界的存在决定了多晶材料的延展性，输运性质，凝固和再结晶动力学等多种特性。然而目前一般大角晶界的微观结构模型，形成和演化机制等基本问题尚无定论。申请人前期研究工作中发现前驱体结构，调控着晶体的成核和生长(Nature Physics 2014)；申请人近期发现晶界由前驱体结构，特征拓扑结构和液体结构等微观态构成，并开发了适用于此体系的结构分析算法。申请人计划使用共聚焦和超分辨技术观测胶体系统中晶界的结构和动力学，研究一般大角晶界的微观结构特性；揭示晶界位相角和微观结构的对应关系；揭示晶界形貌特性和晶界微观结构的对应关系；获取微观结构影响晶界稳定和迁移过程的物理规律；研究成核方式对晶界结构，形貌和演化动力学的影响；探索晶界演化规律和背后的深层物理机制，推动对液体结晶凝固过程的微观认识。

本项目以软物质胶体系统为研究对象，结合实验，模拟和理论建模研究多种条件下胶体多晶态的结构特性，成核和生长动力学，形态选择机制等进行了一系列研究。在项目持下，我们主要开展了胶体系统结晶过程的热力学和动力学以及其影响结晶态的结构，生长速度和形貌特性的机制研究，并且在研究过程中发现了一些新的现象、拓展了研究内容。我们探讨了键角序涨落对结晶成核和晶界结构多态性的影响，并且通过全新设计的实验系统意外发现了胶体晶体系统非扩散固-固转变中全新的结晶成核路径；发现了限域条件下结晶态的形貌选择机制；发现了玻璃态系统的非扩散结晶现象，并阐明决定其生长速度，结晶态品质的机理。项目基本达成了预定研究目标，取得了一系列重要进展，共发表了6 篇SCI 论文，其中包括1篇Nature Physics，1篇Nature Materials，1篇Science Advances，2篇Nature Communications和1篇Chinese Physics Letters。代表性的成果包括：粒子形状各向异性和长程相互作用在自组织结晶和玻璃化中的竞争机制；键角序涨落影响结晶成核和晶界演化的多态选择机制；限域条件下胶体结晶的成核路径与形貌选择机理；晶体生长极低温条件去玻璃化快速结晶的机制；晶体无扩散固固相变时的动力学及其路径选择机制等。