Kristalgroei is een cruciale kwestie voor fundamentele wetenschap en brede toepassingen. De groeimorfologie en -snelheid worden over het algemeen bepaald door een samenspel tussen macroscopische thermodynamische drijvende krachten en het microscopische kinetische proces op het grensvlak tussen kristal en vloeistof.

Hoewel kristalgroei goed wordt begrepen bij groeiomstandigheden die bijna in evenwicht zijn, de groeiovergang met diverse groeimorfologieën wordt slecht begrepen onder niet-evenwichtige groeiomstandigheden (bijv. dynamische compressie).

Een recent gepubliceerd onderzoek in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) biedt een nieuw inzicht in kristalgroei onder dynamische compressie met behulp van een geavanceerde dynamische diamantaambeeldcel (dDAC) techniek, die het onbekende gedrag van kristalgroei tussen statische en dynamische drukomstandigheden overbrugt. Het werk werd uitgevoerd door een gezamenlijk onderzoeksteam van het Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS), University of Science and Technology (UST) in Zuid-Korea en het Japanse National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). Co-hoofdauteur Yong-Jae Kim, een natuurkundige aan het Lawrence Livermore National Laboratory, voerde het onderzoek uit als postdoctoraal onderzoeker bij KRISS.

"Onze studie maakt een stap voorwaarts in het beter begrijpen en voorspellen van kristalgroei in de echte wereld, van diverse sneeuwvlokken tot planeetinterieurs onder extreme omstandigheden, ' zei Kim.

Het team onthulde de oorsprong van drukgeïnduceerde schokgroei van enkele ijskristallen die verminderde dimensionaliteit vertoonden door lokale groeiomstandigheden te beheersen met behulp van de geavanceerde dDAC. De lokale structuur op het water-ijs-interface wordt verbeterd door snelle compressie, vergemakkelijken van snelle interfacekinetiek en dus tweedimensionale (2-D) schokgroei-initiatie, zelfs in de buurt van de smeltdruk in evenwicht.

Met de geavanceerde dDAC, het team heeft tegelijkertijd de morfologie-evolutie gemeten, microstructuren (met Raman-spectroscopie of röntgendiffractie) en omringende groeiomstandigheden (zoals druk en celvolume) tijdens kristalgroei. Ze voerden ook moleculaire dynamische simulaties uit voor een meer gedetailleerd microscopisch begrip van de fysieke situatie op het water-ijs-interface.

"Over het algemeen, snelle kristalgroei is het gevolg van de snelle groei van kristalhoeken onder een grote drijvende kracht, uiteindelijk leidend tot de vorming van een dendritische morfologie. In tegenstelling tot de algemene verwachting, snelle compressie startte de 2-D-schokgroei vanaf de randen van het initiële 3-D-kristal met ten minste één orde hogere groeisnelheid, in plaats van vanuit zijn hoeken, hoewel de gemeten druk van het hele systeem bijna de smeltdruk van ijs benadert (d.w.z. kleine drijvende kracht), " zei Kim. "Dit houdt in dat de snelle compressie effectief grote overdruk veroorzaakt aan de kristalranden. Zo'n grote effectieve drijvende kracht leidt tot een vergelijkbare interfacestructuur als bulkkristallen langs het schokgroeivlak, eindelijk het faciliteren van snelle interface-kinetiek die 2D-schokgroei veroorzaakt."

Vooruit kijken, Kim is van plan dit onderzoek uit te breiden door lasergestuurde schokcompressie te gebruiken om de kinetiek van kristalgroei en faseovergangen op nog snellere tijdschalen te onderzoeken. met toepassingen voor een beter begrip van de inwendige structuur en evolutie van ijzige planeten zoals Uranus en Neptunus.