香港科技大学首次实现在单粒子尺度上直接观测晶体的均匀熔化

2012-10-11

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 , 给 出 首 个 实 验 解 答 。 除 此 之 外 , 韩 教 授 及 研 究 团 队 成 员 , 包 括 王 梓 任 、 王 峰 、 彭 毅 及 郑 中 玉 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 图 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 。

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科 大 研 究 团 队 首 次 实 现 在 单 粒 子 尺 度 上 直 接 观 测 晶 体 的 均 匀 熔 化 。
科 大 研 究 团 队 首 次 实 现 在 单 粒 子 尺 度 上 直 接 观 测 晶 体 的 均 匀 熔 化 。
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