突破经典形核理论!武汉理工团队原子尺度解析限域可逆固液相变成果刊发《Science》
近日，武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室傅正义院士、桑夏晗研究员团队在限域空间固液相变基础研究领域取得里程碑式突破，相关成果以《限域空间可逆固液相变原子尺度研究》为题，正式发表于国际顶尖期刊《Science》，为纳米材料精准可控合成提供全新理论支撑。
材料领域沿用已久的均匀形核理论，将液固转变过程归结为晶核体积自由能与表面自由能的相互竞争，由此衍生出临界晶核尺寸、形核势垒两大核心概念。后续研究进一步拓展至单一界面下的非均匀形核体系，证实依附固体表面形核能够降低相变势垒，但临界晶核尺寸不会发生改变，相变始终存在能量阻碍。
然而在自然界与材料制备场景中，大量体系存在双界面、多界面构成的纳米限域空间，这类环境下会出现诸多经典理论无法解释的反常相变行为。长久以来，科研界始终缺少可在原子尺度实时观测、精准调控纳米临界晶核演化的实验手段，难以厘清限域条件对相变动力学的调控规律，成为制约纳米材料设计的核心基础难题。
原位电镜搭建可控限域体系，实现原子级相变全过程观测
为破解这一研究瓶颈，团队依托原位透射电子显微技术搭建特色实验平台，完成半径不足 5 纳米的铋（Bi）纳米团簇原位构筑，实现限域空间内相变全过程动态追踪。研究人员先对碲化铋范德华层状材料施加电压，诱导铋离子定向扩散，在材料边缘生成独立铋团簇；再将该纳米团簇置于样品基底与钨探针构成的双界面间隙中，依靠高精度压电组件灵活调节间隙宽度，精准调控几何限域约束条件。
依托这套独创实验方案，团队首次在原子分辨率下直观捕捉到完整可逆相变循环：随限域空间尺寸改变，临界晶核可在准非晶纳米圆盘、单晶纳米线、液态纳米液滴三种形态之间往复切换。
该项研究刷新了学界对固液相变调控逻辑的固有认知：在双界面限域环境中，主导相变行为的关键参数并非经典理论提出的临界晶核半径、体积，而是纳米晶核的长径比。数据显示，长径比处于特定区间时，固相晶体结构能够稳定存在；长径比过大或过小，晶核都会自发转变为准非晶态或液态。究其本质，双平行界面打破了体系三维球对称结构，系统仅保留单轴对称特征，迫使晶核形态由球形转变为圆柱形，晶体自身表面能各向异性取代体积能成为主导因素，长径比正是界面能与材料本征表面各向异性相互博弈的最终结果。
研究同时证实，在适宜长径比范围内，限域空间内液固相变甚至不存在形核势垒，相变过程可瞬时完成，该结论对沿用数十年的经典形核理论形成重要修正与补充。
该成果首次从原子尺度完整揭示几何限域驱动相选择、晶体取向选择的底层机制，打通了限域工程可控制备纳米材料的理论通道，应用价值覆盖多个前沿方向：
纳米功能材料精准合成：依靠限域几何调控定向制备特定形貌、特定晶向的一维、二维纳米功能单元；
复合材料界面优化：厘清界面限域对结晶行为的调控规律，指导高性能复合体系界面结构设计；
仿生材料与生物制造：为生物矿化、仿生成型体系的微观相变调控提供理论依据。
此次发表于《Science》的原创成果，充分展现武汉理工材料学科在原位表征、纳米相变基础研究领域的顶尖实力，也为后续面向国家战略需求的新型功能材料开发奠定坚实理论基础。
科技日报、武汉理工大学官方发布
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