Dynamisk kompression giver ny indsigt i forståelse og forudsigelse af krystalvækst

Krystalvækst er et afgørende spørgsmål for grundlæggende videnskab og brede anvendelser. Vækstmorfologien og hastigheden bestemmes generelt af et samspil mellem makroskopiske termodynamiske drivkræfter og den mikroskopiske kinetiske proces ved krystal-væske-grænseflade.

Mens krystalvækst forstås godt ved vækstbetingelser i næsten ligevægt, vækstovergangen med forskellige vækstmorfologier er dårligt forstået under vækstbetingelser uden balance (f.eks. dynamisk kompression).

En undersøgelse for nylig offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ) giver en ny indsigt i krystalvækst under dynamisk komprimering ved hjælp af en avanceret dynamisk diamantamboltcelle (dDAC) teknik, som bygger bro over den ukendte adfærd ved krystalvækst mellem statiske og dynamiske trykforhold. Arbejdet blev udført af et samarbejdende forskerhold fra Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS), University of Science and Technology (UST) i Sydkorea og Japans National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). Medforfatter Yong-Jae Kim, en fysiker ved Lawrence Livermore National Laboratory, udførte forskningen som postdoktor ved KRISS.

"Vores undersøgelse tager et skridt fremad i bedre forståelse og forudsigelse af krystalvækst i den virkelige verden, fra forskellige snefnug til planetinteriør under ekstreme forhold, " sagde Kim.

Teamet afslørede oprindelsen til trykinduceret chokvækst af enkelte iskrystaller, der viste reduceret dimension ved at kontrollere lokale vækstbetingelser ved hjælp af avanceret dDAC. Den lokale struktur ved vand-is-grænsefladen forstærkes af hurtig komprimering, lette hurtig grænseflade kinetik og dermed todimensionel (2-D) chok vækst initiering, selv nær ligevægtssmeltetryk.

Med den avancerede dDAC, holdet målte samtidig morfologiudvikling, mikrostrukturer (med Raman-spektroskopi eller røntgendiffraktion) og omgivende vækstbetingelser (såsom tryk og cellevolumen) under krystalvækst. De udførte også molekylære dynamiksimuleringer for mere detaljeret mikroskopisk forståelse af den fysiske situation ved vand-is-grænsefladen.

"Generelt, hurtig krystalvækst skyldes den hurtige vækst af krystalhjørner under en stor drivkraft, til sidst fører til dannelsen af ​​en dendritisk morfologi. I modsætning til den generelle forventning, hurtig kompression startede 2-D-stødvæksten fra kanterne af den indledende 3D-krystal med mindst en ordre højere væksthastighed, frem for fra dens hjørner, selvom det målte tryk i hele systemet næsten er tæt på isens smeltetryk (dvs. lille drivkraft), " sagde Kim. "Dette indebærer, at den hurtige kompression forårsager effektivt stort overtryk ved krystalkanterne. En så stor effektiv drivkraft fører til en lignende grænsefladestruktur som bulkkrystaller langs stødvækstplanet, endelig lette hurtige interface-kinetik, der forårsager 2-D-chokvækst. "

Ser frem til, Kim planlægger at udvide denne forskning ved at bruge laserdrevet stødkompression til at udforske kinetikken af ​​krystalvækst og faseovergange på endnu hurtigere tidsskalaer, med applikationer til en bedre forståelse af den indre struktur og udvikling af iskolde planeter som Uranus og Neptun.