導讀：本文實驗和理論分析支持結構漲落源於原子團簇中兩種狀態的尺寸依賴熱力學穩定性的觀點。基於真實原子系統動力學的發現，重塑了對原子結晶成核機制的理解。
成核是許多固體物質形成過程中的一個重要現象。經典成核理論描述了晶體形成的途徑，其中單體組裝形成通過表面和體積自由能壘上的密度波動發生。但是膠體粒子、蛋白質和小分子的不同系統中的成核過程已被證明結合了非經典過程。在這些系統中，亞穩定的中間團簇形成，然後轉變成穩定的晶體，從而繞過了直接結晶的高能壘。
儘管經典成核理論取得了進展，但人們對原子結晶中的成核仍知之甚少。成核過程可能涉及非經典機制，包括從無序到晶態的自發轉變，但對其動力學的詳細理解需要進一步研究。由於入射原子的反覆碰撞和表面原子的解吸，小團簇的表面發生波動，定義原子核的自由能壘可以被動態擾動。這些高能相互作用表明，原子結晶的早期階段可能是由原子動力學控制的非經典過程。
近日，來自美國勞倫斯伯克利國家實驗室聯合韓國首爾國立大學和漢陽大學的研究者通過原位電鏡表徵具有毫秒時間解析度的單個金納米晶體異質成核，相關成果發表於頂刊《Science》，並以題為「Reversible disorder-order transitions in atomic crystal nucleation」。文中以原子空間和毫秒時間解析度，研究了金納米晶體在石墨烯表面的非均相成核過程，結果發現原子結晶的早期階段通過無序狀態和結晶狀態之間的動態結構波動進行，而非通過單一的不可逆轉變進行。
論文連結：https://science.sciencemag.org/content/371/6528/498
研究使用了三個像差校正的透射電鏡(TEMs)——一個帶有直接電子檢測器，第二個帶有閃爍體耦合照相機，結合了進一步提高時間解析度的靜電子幀系統，第三個帶有低噪聲、閃爍體耦合照相機，用於低劑量成像。為了原位成像晶體成核，製備了單層石墨烯支撐膜，在其上合成了氰化金納米帶。先進的成像探測器和樣品幾何結構使原子級觀測獲得毫秒級的時間解析度(1.6和10毫秒)。
試驗發現石墨烯上金簇的晶體成核是通過無序態和晶態之間的可逆結構波動進行的。原子級高速原位觀察系統證實了原子結晶過程中成核過程的非經典和動力學性質。
每個成核路徑的時間解析度研究，闡明了晶體成核通過一種機制進行，在該機制中原子團簇在無序和結晶狀態之間可逆地多次變換。此外，實驗和理論分析支持了結構波動起源於原子簇中兩種狀態的尺寸相關的熱力學穩定性的觀點。
另外，文中還闡明了材料生長成核階段的基本機制，包括薄膜沉積、界面誘導沉澱和納米粒子形成。
該工作揭示了從濃縮原子到形成穩定晶體的近原子尺度動力學，從而解決了在許多不同類型的結晶過程中決定成核途徑的關鍵步驟。
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