作者:韩一龙等 来源:《科学》 发布时间:2012-10-11 15:54:41
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研究实现单粒子尺度直接观测晶体均匀熔化
 
香港科技大学(科大)物理学系韩一龙教授及其研究团队首次以物质单粒子尺度上直接观测晶体均匀熔化过程,以及液体最初出现的情况,对科学界多年来有关晶体熔化前出现缺陷的争论,提供首个实验解答;团队更首次测出了胶体晶体的受热极限。上述研究成果已在最新一期世界顶级学术期刊《科学》刊登。
 
熔化和结晶是自然界物质中常见的相变现象,如最常见的是冰变成水和水结成冰,过往一直缺乏基础理论作阐释。其实在相变最初阶段所形成的液体核,在熔化过程中有着关键的作用,不过由于原子或分子太小,活动速度太快,而且无法深入晶体内部进行观察,因此成核的微观动态过程一直未能清晰展示。为解释有关现象,软物质物理领域近年利用微米大小的胶体粒子作为(大原子)以模拟研究小原子尺度上运动。由于胶体粒子与原子的行为类似,也可以形成晶体,比如欧泊宝石(俗称蛋白石)便是其中一种胶体晶体,研究人员可以直接通过光学显微镜观察粒子的热运动,并利用影像处理了解粒子运动轨迹。
 
晶体如何均匀熔化也是科学界的长期疑问,因为晶体一旦达到熔点就会从表面或缺陷处发生非均匀熔化。如果能排除缺陷并阻止表面熔化,晶体受热超过熔点也可以不熔化,形成过热晶体进而实现均匀熔化。韩一龙教授及研究团队巧妙利用光束把热敏胶体单晶内部加热成过热晶体,首次成功从单粒子尺度上观察到晶体均匀熔化中的液体成核过程;并发现成核是由晶体内部局部强震动,加上几个粒子的相互交换位置而造成的,并不是如过去科学界通常认为成核是先形成缺陷再从缺陷处所长出的。同时,研究团队还首次测量胶体晶体最多能被加热至超过熔点20%,这个过热极限与大多金属类似。
 
韩一龙教授表示:“我们进行了一系列的定量测量,以实际的数据揭示了经典成核理论之外的现象,澄清了一些相关的学术争议,并加深了科研人员对成核熔化微观过程的了解,又为完善均匀成核熔化的理论提供了重要依据。同时,我们的实验为单粒子尺度上观测固固相变、单个缺陷或杂质如何影响熔化行为等基础材料物理的研究,首次建立了实验基础。”
 
韩一龙教授于2007年加入科大物理学系担任助理教授,分别在北京大学及美国芝加哥大学取得学士学位及博士学位,并在美国宾夕法尼亚大学完成博士后研究。(来源:香港科技大学)
 
 
 
 
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