研究实现单粒子尺度直接观测晶体均匀熔化

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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。