近日，我系谭鹏课题组与东京大学Hajime Tanaka教授课题组展开合作，研究了多个结构序存在时系统的结晶动力学。2020年7月1日，相关成果以“Revealing roles of competing local structural orderings in crystallization of polymorphic systems”为题，发表在期刊《科学·进展》（Science Advances）上。

晶体存在各种各样不同的形状，包括六面体，四面体，八面体等等。这些形状反应的是晶体内部的原子分子排布特点。 而有一些晶体，如果仔细观察的话，会发现其本身就是由不同形状的小碎片（mosaic）拼装起来的。这表明相同的原子分子可以以多种方式排列，这被称为多态性（polymorphism）。事实上，所有的晶体都只是原子或大粒子的重复排列，这些粒子通常是由较小的种子长成的。这些种子作为初始模板，允许新粒子附着在适当的位置，继而结晶生长。然而，当多个结构表现出相似的稳定性时，结晶过程会变得非常复杂。

为了更好的理解这一过程, 研究人员利用能同时追踪很多粒子位置的三维共聚焦显微镜（confocal microscope）, 研究了由均匀聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）胶体粒子构成的实验系统，辅以改进的计算机算法，观察到了一种不断演化的局域结构混合物，这种混合物不断地打破和重组。作为结晶完成前的中间态，混合物中的局域结构存在时间很短，并且存在频繁的互相转化。这种竞争与转化的行为通常发生在局域范围内，很容易被粒子的随机位置涨落掩盖。

为了有针对性地去除了随机涨落带来的噪声影响，研究者改进了结构分析的计算机算法，来正确地对不同的局域结构进行分类。最终发现了不同的局域结构在空间上广泛共存，并且新发现了其时序上也存在相互转化。这一发现有力地说明无序是晶体前驱体（precursor）的内在特征。这项研究提供了目前单一样品中各种晶体间竞争的最清晰图像，也对工业界晶体材料的设计生产有重要的指导意义。

本工作由复旦大学与东京大学合作完成，复旦大学物理学系与应用表面物理国家重点实验室为第一单位，本系学生李黾奂 (Minhuan Li) 为第一作者，陈妍双（Yanshuang Chen）为第二作者。