复旦大学物理系/应用表面物理国家重点实验室的谭鹏教授课题组与海外课题组展开合作，研究了平板约束对二维至准三维胶体晶体结构的影响，并阐述了系统由约束态到体态的动力学形变机制。相关成果以“Phase Reentrances and Solid Deformations in Confined Colloidal Crystals”为题，于2024年1月5日在线发表在《物理评论快报》上：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.018202

几何约束会显著影响系统的相行为，例如晶体结构和溶点。对薄膜晶体施加加平板几何会带来一系列不同于三维体态的二维和准三维晶体结构，交替出现，产生Phase Reentrances行为。约束的减弱会带来Phase Reentrances行为的消失和约束态-体态的转变。目前学界对这些现象背后的机制仍然缺乏完整的物理图像。

为了解决上述的问题，研究人员采用薄膜胶体晶体作为一个模型系统，该系统具有可调的相互作用，并利用共聚焦显微镜来实时追踪粒子的位置。结合实验和模拟分析，我们在特定的层数下发现了两种独特的交替相行为：一种是体相为bcc(body centered cubic)结构稳定的系统，存在的相行为，自由能分析说明该现象的热力学起源，来自固体自由能对空间约束的非单调依赖性；另一种是体相为fcc(face centered cubic)结构稳定的系统，存在的相行为，其中，分别为fcc结构的(100)面和(111)面。此外，通过分析受限下晶体结构的动力学转变过程，对于体相为bcc稳定的系统，我们发现了两种动力学形变模式，分别由表面能主导和体弹性能主导：在特征层数=11下，几何约束产生了独特的软的形变模式来适应约束；体相为fcc 稳定的系统，同样存在两种独特的形变模式：在=12以下，在结构转变过程中晶格常数保持不变，而在特征层数以上，三维结构的出现会伴随着晶格常数的轻微变化。

(a)低密度带电胶体晶体的交替相行为示意图及其结构，用径向分布函数表示 (b) 两种交替相行为

的相图 (c) bcc和square结构的3D特征 (d)几何约束下不同的动力学形变模式  

以上这些发现不仅清楚的说明了体态到约束态的转变点，以及Phase Reentrances出现的机制，更重要的是我们发现了由约束态到体态的固体动力学形变模式。这些新奇的相行为说明，通过引入软的、长程相互作用为理解和操纵二维至准三维胶体晶体结构提供了新的见解。论文第一单位为复旦大学，我系谭鹏教授为论文通讯作者，我系博士生李晓霞为论文第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市教委创新计划、上海市科委等资助。