晶体清楚:地形如何影响晶体形成

Hugo Christenson博士是LEED大学分子和纳米级物理集团的读者。他目前的研究兴趣在结晶中 - 跨多个科学领域的一个重要过程。具体而言，Christenson博士的作品深入了解为什么晶体首先形成地形缺陷，如裂缝和裂缝。

你曾经在寒冷的早晨坐在公园的长椅上吗?你有没有注意到冰晶似乎是首先在表面的碎裂部分形成的?你想知道为什么吗?对这一观察结果的答案一直是广泛的科学研究的主题。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、材料科学和医学等广泛学科的复杂组成部分，许多技术进步应用结晶过程。理解这种自然发生的现象，可以更好地控制过程和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是非常有趣的。

了解结晶可以更好地控制过程和更有效地使用其最终产品

人们早就知道晶体成核(晶体形成的第一个过程)几乎总是发生在表面上。例如，高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，而不是在空气中形成。然而，有利于晶体成核的表面的物理和化学性质仍然不清楚。克里斯滕森博士最近的工作是寻找促进成核的潜在地形性质的更清晰的“图像”。

开始转换
当一种物质从一种形式转变为另一种形式，比如水(液体)转变为冰(固体)，它就经历了相变。成核是相变到结晶的初始过程。

当分子以有序的结构自组装时，它们就变成了我们通常所说的晶体。结晶可以从溶液、蒸气或液体中成核。克里斯滕森博士的研究集中在非均匀成核上，即当某一特定的表面协助成核过程时。

Christenson博士广泛研究了相变动力学的各个方面，研究了影响晶体成核的变量。根据经典成核理论(CNT)，克里斯滕森博士设计了几个实验来精确研究这些物理特征的影响。CNT描述了表面上的缺陷或裂缝等物理属性如何促进成核。他的助手詹姆斯·坎贝尔博士对实验的设计做出了重大贡献，并完成了大部分的实验工作。

Christenson Work博士的结果表明，表面缺陷可以增加晶体形成的速率和密度

控制表面缺陷
克里斯滕森博士设计了一个测试来研究表面缺陷有助于控制晶体成核的想法。在本实验中，两种有机物质[新戊醇(新c₅和四溴化碳(CBr₄)]用光学显微镜在玻璃和云母平面上进行了研究。他们还在被金刚石粉末划伤的相同表面上进行了研究。¹这些金刚石粉末的粒度可以精心选择，让实验控制表面沟槽的大小，并允许团队观察尺寸变化所产生的影响。然后通过扫描电子显微镜(SEM)对划伤表面进行成像。

该实验的结果清楚地证明划痕表面上的成核（见图1）。还研究了从第一曝光到显微镜中可见的晶体的第一次暴露于蒸汽的蒸气中的诱导时间。在未经匹配的玻璃和云母上的诱导时间是相似的。然而，当表面划伤并且粒径（并且因此缺陷越大）时，诱导时间显着降低，发生结晶的越快。这些效果在云母上更加明显，可能是因为刮擦产生了更多的非常小而尖锐的尖锐地形特征，而在玻璃上，凹槽倾向于不太深入，更圆润。

自然存在的缺陷
在另一个实验中，克里斯滕森博士和他的团队研究了云母上蒸汽形成的四种不同晶体(四溴化碳、樟脑、降冰片和六氯乙烷)。研究了云母表面天然存在的缺陷，而不是制造表面特征。²这些天然缺陷比大多数人造缺陷更容易描述。重复实验确定了每个表面上的最佳成核位置。然后可以用扫描电镜对这些有利的部位进行成像和表征。

这四种化合物被允许在许多云母衬底上反复成核。所有四个被看到在同一类型的位点优先成核，这些位点的典型特征是锐角楔形几何。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。

雄厚的财力
在第三个实验中，在云母中观察到了冰和有机晶体的形成。^3.研究人员研究了清晰的地貌特征，具有尖锐的楔形，称为“袋”，这是白云母被劈裂时自然产生的。光学显微镜用于表征(描述)表面的几何形状，并成像成核位置。实验结果表明，晶体更有可能从这些“口袋”的内部和角落形成。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，液体首先在袋中冷凝。

尽管在该测试的云母表面上制备的缺陷特征是尺寸的微量测量阶的顺序，但是可以推断成核，即使在天然存在或制造的纳米级位点也会被急性裂缝吸引。

一切变得清晰
利用三种不同的实验方法，Christenson博士展示了成核对表面缺陷的依赖性。在与CNT期望方面，表面上的裂缝将能量屏障的高度降低到成核。简单来说，这些裂缝允许分子聚集，比能够在平坦的表面上聚集，增加它们将成核的可能性。

Christenson博士的研究结果表明，机械产生的表面缺陷可以增加晶体形成的速率和密度。克里斯滕森博士的研究现已扩展到包括溶液和纯液体的晶体成核，其结果与他对蒸汽的研究结果一致。这增加了我们对晶体形成的基本认识。重要的是，尽管这仍然是一个重大的挑战，但它也表明纳米尺度形貌的工程具有控制异质成核的真正潜力。仔细实施结晶技术可用于工业(如化学气相沉积)和医疗诊断(如了解肾结石如何形成)等。

参考文献

1. J. L. Holbrough, J. M. Campbell, F. C. Meldrum和H. K. Christenson, crystal。增长Des. 12, 750-755(2012)。
2. J. M. Campbell，F. C. Meldrum和H. K. Christenson，Crystenson，Christenson。生长des。13,1915-1925（2013）。
3. J. M.Campbell，F.C.Meldrum和H. K. Christenson。Proc。Natl。阿卡。SCI。美国，114,810-815（2017年）。