El crecimiento de cristales es un tema crucial para la ciencia fundamental y amplias aplicaciones. La morfología y la velocidad del crecimiento generalmente están determinadas por una interacción entre las fuerzas impulsoras termodinámicas macroscópicas y el proceso cinético microscópico en la interfaz cristal-líquido.

Si bien el crecimiento de cristales se conoce bien en condiciones de crecimiento cercanas al equilibrio, la transición del crecimiento con diversas morfologías de crecimiento se comprende poco en condiciones de crecimiento fuera de equilibrio (por ejemplo, compresión dinámica).

Un estudio publicado recientemente en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ) proporciona una nueva perspectiva del crecimiento del cristal bajo compresión dinámica utilizando una técnica avanzada de celda de yunque de diamante dinámico (dDAC), que une los comportamientos desconocidos del crecimiento de cristales entre las condiciones de presión estática y dinámica. El trabajo fue realizado por un equipo de investigación colaborativo del Instituto de Investigación de Normas y Ciencia de Corea (KRISS), Universidad de Ciencia y Tecnología (UST) en Corea del Sur y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) de Japón. El coautor principal Yong-Jae Kim, físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, realizó la investigación como investigador postdoctoral en KRISS.

"Nuestro estudio da un paso adelante para comprender y predecir mejor el crecimiento de los cristales en el mundo real, desde diversos copos de nieve hasta el interior de planetas en condiciones extremas, "Dijo Kim.

El equipo reveló el origen del crecimiento de choque inducido por presión de cristales de hielo individuales que muestran una dimensionalidad reducida al controlar las condiciones de crecimiento local utilizando el dDAC avanzado. La estructura local en la interfaz agua-hielo se mejora mediante una compresión rápida, facilitando la cinética de la interfaz rápida y, por lo tanto, el inicio del crecimiento de choque bidimensional (2-D), incluso cerca de la presión de fusión del equilibrio.

Con el dDAC avanzado, el equipo midió simultáneamente la evolución de la morfología, microestructuras (con espectroscopia Raman o difracción de rayos X) y condiciones de crecimiento circundantes (como presión y volumen celular) durante el crecimiento de cristales. También realizaron simulaciones de dinámica molecular para una comprensión microscópica más elaborada de la situación física en la interfaz agua-hielo.

"Generalmente, El rápido crecimiento de los cristales es el resultado del rápido crecimiento de las esquinas de los cristales bajo una gran fuerza impulsora. conduciendo finalmente a la formación de una morfología dendrítica. Contrariamente a la expectativa general, la compresión rápida inició el crecimiento de choque 2-D desde los bordes del cristal 3-D inicial con al menos un orden de velocidad de crecimiento mayor, más que desde sus rincones, aunque la presión medida de todo el sistema está casi cerca de la presión de fusión del hielo (es decir, una pequeña fuerza motriz), "Dijo Kim." Esto implica que la compresión rápida causa una gran sobrepresión en los bordes del cristal. Una fuerza impulsora efectiva tan grande conduce a una estructura de interfaz similar a la de los cristales a granel a lo largo del plano de crecimiento del choque, facilitando finalmente una cinética de interfaz rápida que provoca un crecimiento de choque en 2-D ".

Mirando hacia el futuro, Kim planea ampliar esta investigación mediante el uso de la compresión de choque impulsada por láser para explorar la cinética del crecimiento de los cristales y las transiciones de fase en escalas de tiempo aún más rápidas. con aplicaciones para una mejor comprensión de la estructura interior y la evolución de planetas helados como Urano y Neptuno.