原位電鏡揭示冰異質(zhì)結(jié)晶中堆垛序演化動力學(xué)機(jī)制 | 進(jìn)展

結(jié)冰是自然界中最常見的結(jié)晶現(xiàn)象之一。盡管地球表面的溫度、壓強(qiáng)等宏觀熱力學(xué)參量大體相近，但水汽在異質(zhì)界面上形核生長所形成的雪花形貌卻呈現(xiàn)出高度多樣性與不可預(yù)測性。其原因在于水分子在熵–焓競爭驅(qū)動下所選擇的組裝路徑存在多種可能性。揭示微觀動力學(xué)路徑?jīng)Q定的相空間形成機(jī)制，是理解冰晶形貌起源的關(guān)鍵科學(xué)問題。然而，結(jié)晶路徑本質(zhì)上具有瞬態(tài)性與局域性，要“打開”這一動力學(xué)黑箱，亟需具備高靈敏度與高時空分辨能力的先進(jìn)表征手段，這也是當(dāng)前晶體學(xué)與相變動力學(xué)前沿研究領(lǐng)域的共性挑戰(zhàn)。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理實(shí)驗室白雪冬課題組二十余年來持續(xù)推動原位透射電子顯微技術(shù)的發(fā)展，近期,利用自主研發(fā)的原子分辨原位冷凍電鏡技術(shù)，在約 102 K、高真空條件下，通過水蒸氣在金屬冷壁表面沉積成冰，首次直接追蹤了冰晶從成核到生長的相選擇與演化完整過程。

實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，多數(shù)冰晶并非直接形成熱力學(xué)穩(wěn)定的六方冰，而是首先生成半球形立方冰晶胚。隨著晶體尺寸增加，冰晶沿立方冰等價密排 ?111? 方向發(fā)生分叉，并在各分叉方向逐步演化為典型的棱柱狀六方冰枝晶，其分叉角度與天然雪晶中常見的特征角（約 70.5°）高度一致。原子分辨成像進(jìn)一步揭示，在立方冰核與六方冰枝晶之間普遍存在一段由立方與六方堆垛隨機(jī)交錯組成的堆垛無序冰層。該無序?qū)幼鳛閯討B(tài)過渡區(qū)，在保持外延取向關(guān)系的同時，實(shí)現(xiàn)了對稱性破缺與晶體結(jié)構(gòu)重構(gòu)。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)晶核生長方向偏離立方冰密堆軸時，可獲得純相、單晶立方冰，而不發(fā)生向六方冰的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這一發(fā)現(xiàn)表明，通過調(diào)控生長取向與界面條件，有望在更廣泛的密排多晶型材料體系中實(shí)現(xiàn)亞穩(wěn)高對稱結(jié)構(gòu)的可控捕獲。

圖：原子尺度揭示異質(zhì)冰結(jié)晶生長的堆垛序演化動力學(xué)機(jī)制。

綜上，該研究描繪了冰晶異質(zhì)生長的動力學(xué)路徑，系統(tǒng)闡明了異質(zhì)界面效應(yīng)、對稱性破缺與取向外延在冰相演化中的協(xié)同作用機(jī)制，不僅為理解雪晶形貌形成提供了直接實(shí)驗依據(jù)，也為多晶型密排材料的可控生長與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了具有普適意義的物理圖像。相關(guān)成果以“Kinetics of Stacking-Order Evolution during Heterogeneous Ice Formation 為題，發(fā)表于Physical Review Letters [136, 088001 (2026)]上。物理所博士后黃旭丹、北京大學(xué)博士袁梓峰為論文共同第一作者，物理所王立芬副研究員、白雪冬研究員，北京大學(xué)徐麗梅教授、王恩哥院士為論文通訊作者。該研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青促會基金以及國家資助博士后研究人員計劃的資助。

編輯：測不準(zhǔn)的小陽