晶莹剔透：地形如何影响晶体形成

Hugo Christenson博士是利兹大学分子和纳米物理组的读者。他目前的研究兴趣在于结晶——这是跨多个科学领域的重要过程。具体地说，克里斯滕森博士的研究深入了解了为什么晶体首先在地形缺陷中形成，比如裂缝和裂缝。

你有没有在严寒的早晨坐在公园的长椅上？你有没有注意到冰晶似乎首先在表面有缺口的部分形成？你想知道为什么吗？这一观察结果的答案一直是广泛科学研究的主题。冰是水的结晶形式，结晶是自然界和工业中的一个重要过程。它是地质学、气象学、材料科学和医学等学科的一个复杂组成部分，许多技术进步应用了结晶过程。了解这种自然发生的现象可以更好地控制过程，更有效地使用其最终产品。因此，结晶的基本原理和促进晶体生长的环境条件非常重要。

了解结晶可以更好地控制过程，更有效地使用其最终产品

众所周知，晶体成核(形成晶体的第一个过程)几乎总是发生在表面上。例如，上层大气中的卷云中的冰晶会在一个小的气溶胶粒子上形成，而不是在空气本身。然而，对有利于晶体成核的表面的物理和化学性质仍不清楚。克里斯滕森博士最近的工作是寻找促进成核的潜在地形特性的更清晰的“图片”。

开始转变
当一种物质从一种形式转变为另一种形式时，就像水（液体）转变为冰（固体），它会经历相变。成核是相变的初始过程，然后逐渐结晶。

当分子以有序结构自组装时，它们就成为我们通常所说的晶体。晶体成核可以发生在溶液、蒸汽或液体中。克里斯滕森博士的研究集中在异质成核上，这是在特定表面协助成核过程时发生的。

克里斯滕森博士广泛研究了相变动力学的各个方面，研究了哪些变量影响晶体成核。经典成核理论（CNT）描述了物理属性（如表面上的缺陷或裂缝）是如何促进成核的，克里斯滕森博士利用经典成核理论设计了几个实验，以精确研究这些物理特征的影响。他的研究助理詹姆斯·坎贝尔博士对实验设计做出了重大贡献，并完成了大部分实验工作。

克里斯滕森博士的研究结果表明，表面缺陷可以提高晶体形成的速度和密度

控制表面缺陷
Christenson博士设计了一个测试来调查表面上缺陷的想法有助于控制水晶成核。对于该实验，从两种有机物质的蒸气核[新戊醇（Neo-C.₅OH）和四溴化碳（CBr₄在玻璃和云母的平面上用光学显微镜进行了研究。他们还研究了被金刚石粉末划伤的相同表面。¹可以仔细选择这些金刚石粉末的粒径，在表面上的凹槽的尺寸上进行实验控制，并允许团队看起来尺寸的变化。然后通过扫描电子显微镜（SEM）成像刮擦表​​面。

该实验的结果清楚地表明，划痕表面上的成核增加（见图1）。还研究了从第一次接触蒸汽到第一次出现在显微镜下可见的晶体的诱导时间。未修补玻璃和云母的诱导时间相似。然而，当表面被划伤时，诱导时间显著缩短，并且颗粒直径越大（因此缺陷越大），结晶发生得越快。这种影响在云母上更为明显，可能是因为刮擦产生了大量非常小且尖锐的地形特征，而在玻璃上，凹槽往往不太深，形状更圆。

自然存在缺陷
在另一个研究相同问题的实验中，christensen博士和他的团队从云母上的蒸汽中研究了四种不同晶体(四溴化碳、樟脑、降冰片烷和六氯乙烷)的成核过程。研究了云母表面自然存在的缺陷，而不是表面形貌。²这些自然缺陷比大多数制造的特征都更容易表征。进行重复实验以鉴定每个表面上的最佳成核点。然后，SEM可以用于图像和表征这些有利的网站。

所有四种化合物都被允许在一些云母基板上重复成核。所有四种细胞都优先在相同类型的位点上成核，这些位点的典型特征是尖锐的楔形几何形状。图2显示了在云母上自然产生的缺陷中生长的四溴化碳晶体。

财大气粗
在第三个实验中，在云母中观察到冰和有机晶体的形成。^3.明确的地形特征与尖锐的锐角，称为“口袋”，这是自然发生时，莫斯科云母被切割，研究。光学显微镜被用来表征(描述)表面的几何形状以及成像成核位点。这个实验的结果表明，晶体更有可能从这些“口袋”的角落里形成。图3描绘了各种化合物在云母袋中结晶的图像。通常，晶体是在过冷的液体中形成的，这些液体首先在囊内冷凝。

尽管为本试验在云母表面制备的缺陷特征尺寸为微米，但可以推断，即使在自然发生或制造的纳米级位置，形核也会被吸引到急性裂缝。

一切都变得清晰了
Christenson博士使用三种不同的实验方法证明了形核与表面缺陷的相关性。与CNT的预期一致，表面上的裂纹降低了成核的能量屏障高度。简单地说，这些裂纹使分子聚集的时间比它们在平面上聚集的时间长，从而增加了它们成核的可能性。

Christenson工作博士的结果表明，机械产生的表面缺陷可以增加晶体形成的速率和密度。Christenson博士的研究现已扩展到包括从解决方案和纯液体的水晶成核，结果与他在蒸汽上的工作相对应。这增加了对如何形成晶体的基本理解。尽管如之，它还表明纳米级地形特征的工程具有控制异质成核的实际潜力，尽管这仍然是一个重大挑战。仔细实施结晶技术将允许工业（例如，化学气相沉积）和医学诊断（例如，了解肾脏结石的形式）中的应用。

参考

1. J.L. Helbrough，J.M.Campbell，F. C. Meldrum和H. K. Christenson，Crystenson，Christenson。生长des。12,750-755（2012）。
2. J.M.Campbell，F.C.Meldrum和H.K.Christenson，Cryst。增长速度。13, 1915–1925 (2013).
3. J.M.Campbell、F.C.Meldrum和H.K.Christenson。过程。纳特尔。阿卡德。Sci。《美国》，114810-815（2017年）。