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[学术] 汉阳大学-首尔大学研究组世界首次成功观察到结晶核的生成瞬间
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  • 2021-02-22 11:34:23

  从天上下的雪和从海里得到的盐有共同点。那就是从很小的粒子形成大块状。例如,大气中的水蒸气结冰,形成一个叫做“雪核”的非常小的粒子,之后周围的水蒸气黏在一起,变成在肉眼下可观察到的雪花。

 

  原子想要聚集在一起形成物质就必须要经过“核生成(nucleation)”过程,但是该过程在非常细微的领域快速发生,原子大小的单位是埃(Å․100亿分之一米),大概在比100分之1秒快的速度范围内发生核生成过程。至今还没有明确表明核生成的机制。

 

  科学领域世界最高权威学术杂志《科学》在29日表示,终于解决了自1800年以来持续到现在的核生成相关的难题。

 

(从左起)朴正元教授,全圣浩博士,李元哲教授(왼쪽부터) 박정원 교수, 전성호 박사, 이원철 교수

(从左起)朴正元教授,全圣浩博士,李元哲教授

 

 

  汉阳大学ERICA校区机械工学系李元哲教授、洪锡俊教授、全圣浩博士和首尔大学化学生物工学部朴正元教授(IBS纳米粒子研究团研究委员)、美国劳伦斯伯克利国立研究所(LBNL)主导的国际共同研究组在世界上首次成功观察到原子水平的核生成瞬间(纳米结晶的诞生瞬间)。

 

  共同研究组为了观察核生成过程,制造了一个原子厚度很薄的石墨烯膜,这是被射到电子光会释放金原子的纳米物质。利用美国劳伦斯伯克利国立研究所的世界最高性能的电子显微镜,在世界上首次成功观察到了核结晶过程。也就是说,研究组录下了超高速(1000分之1秒水平)、超高分辨率(个别原子识别水平)的金原子聚集在一起生成纳米结晶体的瞬间。

 

  根据观察结果,核生成过程中,金原子们呈现反复“无序的聚集的块状结构”和“原子排列的结晶结构”两种可逆的状态。这是与在结晶结构的核先形成后,维持其结构并扩大的传统理论完全不同的新发现。研究组把这些核心结果以“Reversible disorder-order transitions in atomic crystal nucleation”的论文题目发表出来。

 

  另外,研究组还提出了说明该现象的新的热力学论。在由约数十个核反应组成的初期核生成阶段,“无序的结构”和“结晶结构”反复时所需的能量小,与之相反,如果200多个原子聚集在一起,结晶结构的能量状态将比无序的结构变得更稳定,从而完成了核生成过程。

 

  对于此次研究的意义,朴正元教授说:“从科学角度发现了结晶核生成(crystal nucleation)的新机制,并进行实验验证,表明了形成固体物质过程的根本原理。”李元哲教授说:“从工学的角度,通过实验再现和观察了薄膜粘贴工程的级初期状态,今后这可用于确保半导体和显示屏的材料,配件,装备领域的源泉技术。”

 

  另外,此次研究是汉阳大学ERICA校区的成员作为主作者,首次在CNS(Cell,Nature,Science)级杂志上发表了论文,并将国内大学研究者的想法与世界最高水平的国内外研究机关合作,实现了现实化的“成功的合作研究模式”,因此更有意义。

 

  该研究是在韩国研究财团的第四阶段大脑韩国21(BK 21)事业和基础科学研究院(IBS)等政府赞助和三星未来技术培育事业等民间赞助下进行的。

 

拍摄金纳米结晶诞生瞬间的高分辨率电子显微镜视频图像

拍摄金纳米结晶诞生瞬间的高分辨率电子显微镜视频图像


利用电子显微镜拍摄金纳米结晶的诞生过程

利用电子显微镜拍摄金纳米结晶的诞生过程


根据传统的核生成理论的结晶诞生过程模型

根据传统的核生成理论的结晶诞生过程模型


这次研究表明的新的核生成过程

 

这次研究表明的新的核生成过程

 

 

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