Kristalltillväxt är en avgörande fråga för grundvetenskap och breda tillämpningar. Tillväxtmorfologin och hastigheten bestäms i allmänhet av ett samspel mellan makroskopiska termodynamiska drivkrafter och den mikroskopiska kinetiska processen vid kristall-vätskegränssnitt.

Medan kristalltillväxt är väl förstådd vid tillväxtförhållanden nära jämvikt, tillväxtövergången med olika tillväxtmorfologier är dåligt förstådda under tillväxtförhållanden utan jämvikt (t.ex. dynamisk kompression).

En studie som nyligen publicerades i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ) ger en ny inblick i kristalltillväxt under dynamisk komprimering med hjälp av en avancerad teknik för dynamisk diamantstamcell (dDAC), som överbryggar det okända beteendet för kristalltillväxt mellan statiska och dynamiska tryckförhållanden. Arbetet utfördes av ett samarbetande forskargrupp från Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS), University of Science and Technology (UST) i Sydkorea och Japans National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). Medförfattare Yong-Jae Kim, en fysiker vid Lawrence Livermore National Laboratory, genomförde forskningen som postdoktor vid KRISS.

"Vår studie gör ett steg framåt för att bättre förstå och förutsäga kristalltillväxt i den verkliga världen, från olika snöflingor till planetinteriörer under extrema förhållanden, "Sa Kim.

Teamet avslöjade ursprunget för tryckinducerad chocktillväxt av enstaka iskristaller som visade minskad dimension genom att kontrollera lokala tillväxtförhållanden med hjälp av avancerad dDAC. Den lokala strukturen vid vatten-is-gränssnittet förstärks av snabb kompression, underlätta snabb gränssnittskinetik och därmed tvådimensionell (2-D) chock tillväxt initiering, även nära jämviktssmältningstryck.

Med den avancerade dDAC, laget mätte samtidigt morfologiutvecklingen, mikrostrukturer (med Raman-spektroskopi eller röntgendiffraktion) och omgivande tillväxtförhållanden (såsom tryck och cellvolym) under kristalltillväxt. De utförde också molekylära dynamiksimuleringar för mer genomarbetad mikroskopisk förståelse av den fysiska situationen vid gränssnittet mellan vatten och is.

"Rent generellt, snabb kristalltillväxt är resultatet av den snabba tillväxten av kristallhörn under en stor drivkraft, slutligen ledde till bildandet av en dendritisk morfologi. I motsats till den allmänna förväntningen, snabb kompression initierade 2-D-chocktillväxten från kanterna på den ursprungliga 3D-kristallen med minst en order högre tillväxthastighet, snarare än från dess hörn, även om det uppmätta trycket i hela systemet nästan är nära isens smälttryck (dvs. liten drivkraft), "Kim sa." Detta innebär att snabb kompression orsakar effektivt stort övertryck vid kristallkanterna. En så stor effektiv drivkraft leder till en liknande gränssnittsstruktur som bulkkristaller längs chocktillväxtplanet, slutligen underlättar snabb gränssnittskinetik som orsakar 2-D-chocktillväxt. "

Blickar framåt, Kim planerar att utöka denna forskning genom att använda laserdriven chockkomprimering för att utforska kinetiken för kristalltillväxt och fasövergångar vid ännu snabbare tidsskalor, med applikationer för en bättre förståelse av den inre strukturen och utvecklingen av isiga planeter som Uranus och Neptunus.