Material i ett glasartat tillstånd finns överallt i våra liv och har bidragit till mänskligheten i många år. I dag, de spelar en avgörande roll i olika teknologier, inklusive optiska fibrer. Även om vi tror att glas är mycket stabilt, det kristalliserar ibland, resulterar i förlust av transparens och isotropi, väsentliga egenskaper hos glas, vilket har varit ett betydande problem i industriella tillämpningar. Anledningen till att kristallisering sker i ett fast tillstånd med nästan ingen molekylär rörelse har varit ett stort mysterium. Dess förståelse kan hjälpa till att förhindra eller optimera kristalltillväxt vid djup underkylning.

I en studie som nyligen publicerades i Naturmaterial , forskare från Industrivetenskapliga institutet, Tokyos universitet, Fudan University, Peking University, och samarbetande institutioner har genomfört experimentella och beräkningsstudier på snabb kristalltillväxt under djup underkylning. Deras arbete ger kritisk insikt i mekanismen för snabb kristalltillväxt vid ultralåga temperaturer, bidrar till många tekniska tillämpningar genom att förbättra glasstabiliteten eller producera högkvalitativa kristaller.

"Kristallväxt i glasögon är ett komplext, årtionden gammalt problem. Hur prekursorstrukturer övervinner oordning i vätskefasen för att ordna till kristaller är fortfarande kontroversiellt, säger Peng Tan, co-senior författare.

En nyckel till snabb kristalltillväxt som avslöjas av simuleringar och experiment är att gränssnitten mellan fast och vätska i de underkylda vätskorna är tjocka och grova. Den stora kontaktytan mellan ordnade öar och den omgivande oordnade vätskan hjälper till att bryta upp störningen och underlättar snabb kristalltillväxt.

"Ett annat nyckelresultat är att det oordnade tillståndet i sig är instabilt mekaniskt, leder till en dominoliknande kedjereaktion av kristalltillväxt, " förklarar Hajime Tanaka, co-senior författare. "Detta underlättas av förmågan hos de nybildade ofullkomligt ordnade områdena av kristallen att omordna och på så sätt förhindra ansamling av oordning."

Hur kan forskare använda denna kunskap? Man kan främja kristalltillväxt genom att förbättra en underkyld vätskas förmåga att utveckla prekursorstrukturer och omorganisera sig från suboptimerad ordning. Tanaka, Solbränna, Xu, och medarbetare är optimistiska att forskare kommer att använda dessa insikter för att ta reda på vilka material som uppvisar de nödvändiga egenskaperna för förbättrad glasstabilitet eller högkvalitativ kristallbildning. Med vidareutveckling, det finns tydliga tillämpningar för ultrastabila glasögon och nästan perfekta kristaller.