日前，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领域取得重要进展。相关研究成果以《限域空间可逆固液相变原子尺度研究》为题，发表于《科学》杂志。

相关成果发表于《科学》。

团队首次在原子分辨率下直接观察到，随着限域空间变化，临界晶核在准非晶纳米圆盘、单晶纳米线以及液态纳米液滴之间发生可逆循环相变。

该成果为几何驱动的相选择和取向选择提供了机制基础，也为限域工程新型纳米材料设计、复合材料界面调控、仿生材料与过程仿生制备提供了理论支撑。

团队人员介绍，经典理论发现附着于表面形核虽能降低形核势垒，临界晶核尺寸却保持不变，形核势垒依然存在。然而，团队发现，在自然界和材料合成中，能提供两个或更多表面的限域空间是一种极为常见但更为复杂的非均匀形核条件，涌现出大量经典理论无法描述的反常现象。

为解释这一问题，研究团队在透射电子显微镜中原位构造了半径小于5纳米的铋（Bi）团簇，并实时观察其在限域空间中的相变过程。研究人员首先对范德华层状材料碲化铋施加电压，诱导Bi离子定向扩散，在样品侧面形成Bi团簇。随后，将该团簇置于样品与钨针尖两个表面之间的限域空间内，借助高精度压电控制移动钨针尖来改变限域空间距离，实现了对纳米团簇几何限域条件的精确调控。

团队发现，决定这一相变过程的核心参数不是经典理论中的临界形核半径或临界形核体积，而是临界晶核在限域空间中的长径比。过大或过小的长径比均会导致临界晶核形成非晶或液相，而固相只在一个最优长径比区间内稳定存在。

这表明，从经典非均匀形核的单一表面到限域空间的双表面，是从量变到质变的过程，从本质上改变了形核过程动力学。其根本原因在于，两个平行表面破坏了系统的三维球对称性，使之降低为仅沿单轴旋转的轴对称性。

临界晶核也因此从球形转变为圆柱形，使晶体本身的表面能各向异性占据主导。长径比的出现正是材料表面各向异性与限域界面能相互竞争的结果。在较大的长径比范围内，限域空间形核甚至不存在形核势垒，液固相变极为迅速。研究人员表示，这是对经典形核理论的重大修正。

相关链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed6019