导读:由于直接实验测试的难度,晶界 (GBs) 是否预熔是一个长期存在的问题。本文采用聚焦光束以局部加热块状硬球胶体晶体中的单个晶界 ,通过视频显微镜观察单粒子分辨率下的熔化动力学。我们发现所有的GB,包括高能GB,都可以通过异质成核机制过热和熔化。基于GBs的经典成核理论,我们测量了临界核的孵育时间和接触角,以计算所有相关的动力学因素以及能垒,弱过热条件下固-液界面的形核率和扩散系数。还测量了具有各种取向差的 GB 的过热极限,以进一步 探索 不稳定机制。在传统的均匀加热下,预熔仅发生在三结点处,而 GB 保持其原始结构直至熔点。三结点处的预熔化区域通过均匀液体层的侵入进一步阻止了高能GBs过热。总的来说,我们的实验证实了 GB 过热的存在。
胶体是可视化这一熔化过程的杰出模型系统,因为每个胶体粒子的动力学可以直接由光学视频显微镜跟踪,在缺陷处,尤其是在GB处,熔化开始于“预熔化”。 然而,由于缺乏对不同取向的GBs的系统研究,以及准确确定大熔点的挑战,使得揭示GBs熔化的本质仍然很困难。此外,除了有利于润湿的衬底或表面的影响外,晶体内原有的缺陷也会相互影响,导致复杂的熔化过程。因此,有必要提取单个GB的熔化行为。
重庆大学物理学院软凝聚态物理与智能材料重点实验室Ziren Wang教授团队,在本研究中,为了尽量减少各种缺陷之间产生的干扰,聚焦一束光局部加热NIPA胶体晶体中的单个GB以及其他类型的单个缺陷, 并通过视频显微镜研究相应的熔化过程。这种局部加热技术最初是用来研究均匀熔化的。与此同时,我们通过监测林德曼参数的突然斜率变化,并将均匀成核的临界半径外推到无穷大来精确定位熔点(图1c)。我们发现所有的GB都可以被过热和熔化,并经历成核机制。相关研究成果以题“ Superheating of grain boundaries within bulk colloidal crystals ”发表在国际著名期刊 Nature Communications 上。
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图1:光学加热和熔点的测定。
图 2:三结处的预熔。a典型预熔三结在熔点处的真实图像。l 0是预熔袋的内切圆中心与晶-晶-液三联结的距离。b预熔袋d的尺寸随着T接近T m而增加。c两个紧密的三联结有助于润湿中间的 GB 并导致伪“预熔”。d一旦T > T m,GBs 通过侵入融化成液体层。e熔融 GBs 的平衡宽度w是取向错误的函数θ在T m + (2) C 时。在每个θ下任意选择倾斜角。f , g在连接到三重结的低角度 GB 的情况下的熔化行为。值得注意的是,均匀加热和局部加热方法都产生相同的 a - g,这意味着我们系统中的玻璃壁对三结的熔化行为影响很小。由于液体区域的横截面沿z方向是均匀的,我们将物平面固定在玻璃通道的中间范围内。误差线对应于标准偏差。比例尺:5 μm。
图 3:GB 的过热。
图 4:单个位错上的成核。
总的来说,本文报道了一个真实空间的研究,在大块胶体晶体中GB熔化的视频显微镜。在单个超热GB上观察到的成核现象是一个定性现象,这意味着没有预熔化的GB和GB润湿是一个相变,而不是一个平衡现象。虽然在较小的晶粒尺寸(S104)下,由于相邻的预熔三联结,GBs可能出现伪“预熔”,这为体系设置了约束,并为多晶材料的性能提供了许多其他含义。与此同时,MD模拟也揭示了在本体熔化温度以下存在大量结构无序的例子。在不同的条件下,GB的熔化情况不同,如GB的双晶化和粒子相互作用。因此,分离势可以是排斥的、吸引的或两者的结合。在这里,我们的实验验证了gb的过热存在。