液態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，這一過程稱為結(jié)晶，在自然界中普遍存在，是許多技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。然而，當(dāng)我們將液體冷卻至低于其熔點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)過冷的現(xiàn)象。在這個(gè)過冷狀態(tài)下，液體會(huì)保持在一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，而不情愿凝固。理解這種不情愿是如何被克服的，特別是晶體核如何在過冷液體中形成，是晶體成核研究的領(lǐng)域。

晶體成核是結(jié)晶過程中關(guān)鍵的初始步驟，它涉及到在晶格結(jié)構(gòu)中排列的小而穩(wěn)定的原子簇的形成。這個(gè)簇稱為晶核，充當(dāng)進(jìn)一步晶體生長(zhǎng)的種子。然而，這個(gè)晶核的形成并非易事。

晶體成核有兩種主要機(jī)制：均相成核和非均相成核。均相成核發(fā)生在過冷液體內(nèi)部，完全依靠熱漲落。想象一下，液體中的原子隨機(jī)碰撞，偶然形成一個(gè)恰好處于晶體結(jié)構(gòu)中的微小簇。然而，由于暴露在周圍液體中的大表面積，這些簇本身就不穩(wěn)定，會(huì)由于熱能不斷形成和分解。

非均相成核為晶體形成提供了一種替代途徑。在這里，雜質(zhì)或容器壁會(huì)引入有利于形成晶核的表面。這些表面可以為晶體生長(zhǎng)提供模板，降低界面能損失。在許多現(xiàn)實(shí)情況中，這種非均相的存在可以顯著提高成核率，使其成為主要的機(jī)制。

經(jīng)典成核理論提供了一個(gè)理解均相成核的框架。它預(yù)測(cè)了只有超過臨界尺寸的簇，稱為臨界核，才能穩(wěn)定并生長(zhǎng)成宏觀晶體。臨界核尺寸取決于兩種相反因素的競(jìng)爭(zhēng)：一方面，晶格中原子排列最小化了系統(tǒng)的內(nèi)部能量；另一方面，創(chuàng)建晶體和液體之間的新表面會(huì)產(chǎn)生界面能損失。臨界核代表了這些能量貢獻(xiàn)之間的一種微妙平衡，其中系統(tǒng)的總自由能被最大化。

形成這樣一個(gè)臨界晶核是一個(gè)罕見的事件，需要大量的能量波動(dòng)。該理論成功地解釋了一些簡(jiǎn)單原子液體中的晶體成核率，但最近的發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》的一項(xiàng)研究表明情況更為復(fù)雜。

分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了在熔點(diǎn)附近的液相中存在“預(yù)排序”現(xiàn)象。這些預(yù)排序區(qū)域，具有晶體般秩序的漲落，可以作為成核的前體。這挑戰(zhàn)了完全無序液體的經(jīng)典觀點(diǎn)，并需要對(duì)經(jīng)典成核理論進(jìn)行修正以解釋這些預(yù)先存在的結(jié)構(gòu)特征。

由于涉及極短的時(shí)間尺度和長(zhǎng)度尺度，對(duì)過冷原子液體中的晶體成核進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究具有重大挑戰(zhàn)。超快X射線衍射技術(shù)的突破提供了對(duì)成核動(dòng)力學(xué)的無與倫比的洞察。通過在飛秒時(shí)間尺度上探測(cè)液體結(jié)構(gòu)，研究人員可以直接觀察短序和新生晶體核的形成和演化。

最近的研究瞄準(zhǔn)過冷稀有氣體液體（如氬氣和氪氣）中的晶體成核動(dòng)力學(xué)。這些研究表明，穩(wěn)定晶核的形成比以前假設(shè)的要晚得多。這挑戰(zhàn)了我們對(duì)成核初期的理解，需要進(jìn)一步研究熱漲落與液體中預(yù)排序之間的相互作用。

揭開過冷原子液體中晶體成核的奧秘具有重要的科學(xué)和技術(shù)意義。理解這一過程可以更好地控制結(jié)晶，從而開發(fā)出具有所需性能的材料。例如，操縱成核率在食品加工、藥物生產(chǎn)和先進(jìn)材料制造等領(lǐng)域至關(guān)重要。此外，對(duì)成核的更深入理解可以增強(qiáng)我們對(duì)相變的一般了解，其應(yīng)用范圍從天體物理學(xué)到材料科學(xué)。