近日，武汉理工年夜学质料复合新技能天下重点试验室傅公理院士、桑夏晗研究员团队于限域空间的固液相变范畴取患上主要进展。相干研究结果以《限域空间可逆固液相变原子标准研究》为题于《科学》杂志发表。

质料科学中的经典匀称形核理论，将固液相变描写为球形晶核体积自由能与外貌自由能的竞争，由此引出临界晶核尺寸及临界形核势垒等焦点观点。

于此基础上，经典理论进一步摸索了单一外貌上的非匀称形核，发明附着在外貌形核虽能降低形核势垒，临界晶核尺寸却连结稳定，形核势垒依然存于。

然而，于天然界及质料合成中，能提供两个或者更多外貌的限域空间是一种极其常见但更为繁杂的非匀称形核前提，涌现出年夜量经典理论没法描写的反常征象。

持久以来，怎样于限域空间中节制并不雅察纳米标准临界晶核的相变历程，进而批改经典理论，是一项巨年夜挑战。

为此，上述研究团队于透射电子显微镜华夏位组织了半径小在5纳米的铋（Bi）团簇，并及时不雅察其于限域空间中的相变历程。

团队起首对于范德华层状质料碲化铋施加电压，引诱Bi离子定向扩散，于样品侧面形成Bi团簇；随后，将该团簇置在样品与钨针尖两个外貌之间的限域空间内，借助高精度压电节制挪动钨针尖来转变限域空间间隔，实现了对于纳米团簇几何限域前提的切确调控。

基在此设计，团队初次于原子分辩率下直接不雅察到跟着限域空间变化，临界晶核于准非晶纳米圆盘、单晶纳米线以和液态纳米液滴之间发生可逆轮回相变。

研究展现，决议这一相变历程的焦点参数不是经典理论中的临界形核半径或者临界形核体积，而是临界晶核于限域空间中的长径比。过年夜或者太小的长径比均会致使临界晶核形成非晶或者液相，而固相只于一个最优长径比区间内不变存于。这注解，从经典非匀称形核的单一外貌到限域空间的双外貌，是从量变到质变的历程，从素质上转变了形核历程动力学。其底子缘故原由于在，两个平行外貌粉碎了体系的三维球对于称性，使之降低为仅沿单轴扭转的轴对于称性。这迫使临界晶核从球形改变为圆柱形，从而使晶体自己的外貌能各向异性盘踞主导。长径比的呈现恰是质料外貌各向异性与限域界面能彼此竞争的成果。

阐发注解，于较年夜的长径比规模内，限域空间形核甚至不存于形核势垒，液固相变极其迅速，这是对于经典形核理论的庞大批改。

该结果不仅于原子分辩率下直不雅展示了几何限域下的固液相变历程，为几何驱动的相选择及取向选择提供了机制基础，也为限域工程新型纳米质料设计、复合质料界面调控、仿生质料与历程仿生制备提供理论支撑。